WO2020188069A1 - Vorrichtung, verfahren und computerprogramm zur atmungsbeeinflussung einer person - Google Patents

Vorrichtung, verfahren und computerprogramm zur atmungsbeeinflussung einer person Download PDF

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person
influencing
respiratory
muscle
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Marcus Eger
Lorenz Kahl
Philipp Rostalski
Eike PETERSEN
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Drägerwerk AG & Co. KGaA
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    • A63B24/0062—Monitoring athletic performances, e.g. for determining the work of a user on an exercise apparatus, the completed jogging or cycling distance
    • A63B2024/0065—Evaluating the fitness, e.g. fitness level or fitness index
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
    • A63B23/18—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for improving respiratory function

Definitions

  • Embodiments relate to a device, a method and a computer program for influencing the respiratory muscles of a person, in particular, but not exclusively, to a concept for respiratory muscle training of a exercising person or a patient based on electromyographic signals of his / her respiratory muscles.
  • AMT a respiratory muscle training - (inspiratory muscle training - IMT)
  • different training modalities / modes are known for performing respiratory muscle training.
  • the various training modalities sometimes differ in the type of pneumatic intervention.
  • the different training modalities also have different therapeutic goals in some cases. While some training modalities are more aimed at improving muscle strength, other training modalities are more aimed at improving endurance (muscle endurance).
  • Some types of training / modes / modalities are also said to serve both goals in medical research.
  • An overview of different types of training / modes / modalities can be found in the book “Textbook of Pulmonary Rehabilitation "in the chapter” Inspiratory Muscle Training "by Daniel Langer. Sections 18.3.4 to 18.3.7 and Table 18.3 are of particular interest.
  • a passive resistance element is introduced into the airway.
  • This element is partly regulated / adjustable. In a broader sense, this also includes flow limitation, occlusion and pressure limitation.
  • passive means that the respiratory muscle training device does not itself generate a pressure and / or volume flow.
  • the respiratory muscle training device would be a passive element (resistor, potentiometer, the resistor may have special non-linear voltage / current characteristics or is regulated). However, it is not an active voltage or current source (no energy is introduced).
  • Various devices are commercially available for this type of respiratory muscle training with a pneumatic resistance. In some cases, these are mobile (handheld) devices that the patient / person to be trained holds in front of their mouth in order to breathe.
  • the detection and recording of the performance of the respiratory muscles are known, especially in the medical field. If, for example, a patient is artificially ventilated, the mechanical work normally applied by the respiratory muscle culture is at least partially taken over by a ventilator. The respiratory muscles can be damaged by the constant inactivity after just a few hours. So it is often not easy to get a patient back into independent breathing after a long period of artificial ventilation. Even if the patient's illness that originally led to ventilation is no longer present, it is often not possible to simply disconnect the patient from the ventilator. The respiratory muscles that have receded during inactivity are then no longer even able to perform the breathing work necessary for the patient at rest - that is, lying in bed inactive.
  • US 2009 0 229 611 A1 describes various approaches as to how respiratory muscle training can be carried out for ventilated patients. It describes how such respiratory muscle training can be integrated into a ventilator. According to the document, a deficit of already known methods of respiratory muscle training is that the patient is only required to exercise a defined amount at the beginning of each breath. There are therefore pneumatic interventions in artificial ventilation are presented, in which it is ensured that the patient must perform a defined work of breathing over the entire breath.
  • a ventilator In contrast to the devices for respiratory muscle training described above, a ventilator often offers additional and sometimes different pneumatic intervention options. It is crucial that the ventilator is an active pressure / volume flow source. On the one hand, it is possible by means of a corresponding pressure or volume flow control of the source to simulate a corresponding pneumatic resistance towards the patient. In addition, the active pressure / flow source offers additional breathing muscle stress options. An example would be e.g. the regulation of the patient's self-directed breathing capacity to a constant value. The ventilator would then actively perform the additional part or (if actually not as much breathing power is needed as is necessary for training purposes) introduce appropriate obstructions / difficulties / resistance. For further details of a ventilator, we refer to the laid-open specification DE 10 2015 011 390 A1 and in particular to FIG. 4 and the associated description.
  • the interaction between the training person or patient and the training device is currently not optimal in two respects:
  • the training person / patient receives little or no feedback about their current performance in relation to the target performance, what can lead to a lack of motivation and thus reduced training success and less coordinated exertion and thus, for example, incorrect stress, for example to undesirably high expiratory activity.
  • the patient it is currently not possible for the patient in particular to determine the point in time and degree of difficulty of the training sessions themselves; it is therefore externally determined, which can also have strong negative effects on the patient's motivation.
  • a respiratory muscle training to be carried out with the aid of a respiratory muscle training device or ventilator is therefore proposed.
  • Information about the condition of a muscle is generated on the basis of EMG measurements.
  • a ventilator is used as a training device.
  • an EMG-based muscle condition monitoring unit is also carried out with conventional respiratory muscle training devices (for example handheld devices that are also suitable for home use).
  • EMG measurements of the respiratory muscles are optionally combined with pneumatic signals in order to enable comprehensive monitoring of the condition of the respiratory muscles, whereby the respiratory muscle training can be better adapted and monitored for each patient or person.
  • These pneumatic signals include:
  • o Pressures volume flows and variables derived from them such as volumes or time products (e.g. Pressure Time Product).
  • these are Paw (airway pressure at the patient connection), PEEP (positive end-expiratory pressure), Pi nsp (inspiratory pressure), patient flow, tidal volume, minute volume, pneumatic lung resistance, lung elasticity, respiratory performance, time constants of breathing.
  • embodiments of the present invention are based on the core idea of detecting an improved detection of the muscle state of the respiratory muscles of a person or a patient who is ventilated or exercising.
  • the recorded muscle condition is used to plan and control training to strengthen the respiratory muscles, which degenerate during ventilation or lead to increased performance of the respiratory muscles.
  • EMG electromyography
  • the proposed measure is the training of the respiratory muscles through respiratory muscle training (inspiratory muscle training, IMT).
  • IMT inspiratory muscle training
  • the patient's respiratory muscles are challenged by training sessions with a temporarily increased load. These training sessions are intended to restore the strength and / or endurance of the respiratory muscles to such an extent that the patient can breathe permanently without support.
  • the training should be as effective as possible to get the person / patient back as quickly as possible
  • the respiratory muscle training should be as sustainable as possible.
  • the aim was to prevent the patient from relapse and reconnected to a ventilator
  • the respiratory muscle training should be as gentle as possible for the patient o
  • the effort for the hospital should be kept relatively low.
  • these requirements can also be applied to rehabilitation and / or weaning patients from ventilation systems, or in a broader sense also to training the respiratory muscles of people, especially athletes.
  • Diaphragm muscles or, more generally, the relationship between the various muscles involved in breathing. This division of muscle groups can also be determined separately for the inspiration and expiration phases
  • the following information about the mechanical load on the breathing system can be obtained: o The temporal course of the respiratory effort exerted by the person or the patient and the temporal course of the pressure exerted by the patient.
  • the pressure difference that drops across the lungs or the pressure difference that “opens” the lungs is also referred to as driving pressure. If the driving pressure is too low, the lungs will not be sufficiently recruited. Alveoli collapse. If the driving pressure is too high, the lung tissue may be overstretched and thus damaged. 3. extraordinary contractions
  • EMG signals it is also possible to use EMG signals to detect unusual muscle contractions such as cramps or coughs or hiccups.
  • Muscle fatigue is a condition in which the muscles are only able to generate or maintain force to a limited extent. Developing muscle fatigue can be detected by changes in the EMG signal even before the muscles can no longer perform a certain task.
  • various methods are known to calculate a fatigue index from the EMG signal, which describes the degree of fatigue that occurs.
  • Various methods for calculating an EMG-based fatigue index are known. Muscle fatigue can, in particular, also be examined as a function of time both within a session and over several sessions.
  • signal classification algorithms can be used to detect various pathological muscle states on the basis of EMGs.
  • Pathological conditions of the entire respiratory system for example Cheyne-Stokes breathing
  • Cheyne-Stokes breathing can also be detected based on EMG.
  • Additional EMG diagnostic tools include neuromuscular efficiency and muscle regeneration.
  • the muscle regeneration can be quantified, for example, by DOMS (Delayed Onset Muscle Sornes). Muscle regeneration is particularly important when planning your next workout. Other means are electromuscular delay and the detection of the risk of atrophy. 6. Further information that arises with the EMG signal
  • the respiratory EMG signal also contains cardiogenic ECG signal components that can be extracted by signal processing.
  • the information contained therein can also be evaluated and used. This applies to stress affecting the whole body, for example.
  • the heart rate can be determined for this purpose.
  • Heart rate variablity (HRV) is particularly suitable for quantifying the stress level. It is also possible to calculate a stress level from the transition impedance of the electrodes. The perspiration associated with increased stress leads to changed electrical effects on the electrodes and can be detected.
  • the status processing takes place in two parallel units or modules:
  • each training unit is evaluated retrospectively.
  • the knowledge gained in this way can be used by a planning unit when planning the next training session.
  • both units solve an optimization task with secondary conditions:
  • the training benefit should be maximized under the secondary condition that no health-damaging states of the muscles or the respiratory system should be achieved.
  • the result is a recommendation for the selection of the training intensity in the next time unit, with the training history also being taken into account. In particular, it can be taken into account which effect certain training intensity levels or changes in training intensity had on the person or the patient in the past.
  • this recommendation is addressed to the training control and should have an immediate effect on the current training session.
  • the recommendation is addressed to the planning unit and should be included by it when planning the next training session.
  • Embodiments of the invention provide a device for automatically influencing the respiratory muscles of a person, with a detection device for detection an electromyographic signal of the person; a respiratory influencing device; and a control device for controlling the detection device and the respiration influencing device.
  • the control device is designed to determine, based on the electromyographic signal, information about a muscular condition of the respiratory muscles of the person.
  • the control device is also designed to operate the breathing influencing device as a function of the information about the muscle condition in a time-limited training mode with a training intensity. In this way, the training mode can advantageously be planned taking into account the state of the muscles and also corrected during implementation.
  • the device for influencing the respiratory muscles of a person can be designed as a respiratory muscle training device, which in exemplary embodiments can be designed as a mobile respiratory muscle training device, preferably with its own power supply unit.
  • improved handling of the device can advantageously be achieved, which also allows mobile use independent of supply networks, which can be operated independently of the power network or in home use, for example.
  • control device can also be designed in the device to automatically execute the training mode as a difficulty in breathing for the person in order to train the respiratory muscles.
  • systematic training can advantageously be carried out in which, in particular, the duration and / or the intensity and / or difficulty can be continuously increased, for example.
  • control device can be designed to automatically adapt an influencing of the person's breathing by the breathing influencing device in the training mode as a function of the information about the muscle condition.
  • control device can also be designed to automatically set the training mode with regard to a training duration or the Influence intensity / difficulty. It is advantageous to influence the load on the trained muscles particularly efficiently with the help of these parameters.
  • the control device can be designed to automatically cancel or interrupt the training mode as a function of the information about the muscle condition. In this way, excessive demands on the muscles to be trained can advantageously be avoided. Such excessive demands can under certain circumstances lead to permanent damage to the muscles.
  • the cancellation or interruption of the training mode can be carried out automatically by the control device as a function of a signal.
  • the signal can contain at least one piece of information about at least one element of the group of an expiratory activity, an inspiratory activity, harmful pressure conditions in the lungs, persistent cramps, coughing or hiccups, muscle fatigue above a threshold that is regarded as intolerable and detection of pathological conditions that cause a Can harm person.
  • an adverse effect on the person or the patient can be effectively recognized and avoided.
  • the termination or interruption of the training mode can be carried out automatically by the control device as a function of a signal.
  • the signal can display at least one piece of information about at least one element of the group, such as a change / deviation in the muscle group division and an anti-cyclical activity, above a threshold that is regarded as intolerable.
  • the control device can be designed to measure parameters of the training mode and / or parameters of a respiratory performance of the person and / or information about the muscle state during the duration of the training mode or after the training mode
  • the information output can advantageously increase the patient's motivation and / or provide the treating doctor or trainer with diagnostic information.
  • the control device can also be designed to carry out the output optically and / or haptically and / or acoustically and in relation to a target variable for this person.
  • the information to be output can advantageously be prepared so that it can be easily grasped for the patient, the treating doctor or the trainer.
  • control device can be designed to enable the exercising person / patient to initiate and / or parameterize the operation of the breathing influencing device in the training mode.
  • the support of other people for preparing and carrying out the training can be dispensed with and the training can be ideally adapted to the needs of the person / patient.
  • control device can be designed to automatically interrupt the training mode as a function of the information about the muscle condition for a predetermined period of time. In this way, it is advantageously possible to automatically react to temporary or weaker excessive demands on the muscle group to be trained without having to stop training completely.
  • control device can be designed to automatically determine the information about the muscle condition as a function of signals which indicate the intensity of fatigue and / or cramp and / or expiratory activity. In this way, the parameters of the person or the patient that are essential for well-being can advantageously be taken into account when planning the training and, in particular, when carrying out training.
  • control device can also be designed to automatically determine an acceptable target intensity of fatigue and / or cramp and / or expiratory activity, the acceptable target intensity being designed as a target area or target point that changes over time.
  • a further improvement in training can advantageously be achieved in this way, since a certain intensity of the above-mentioned effects is acceptable during training and does not cause any damage. It is also advantageous if a training success to be expected over time can already be taken into account during the current training.
  • control device can also be designed to automatically determine an acceptable target intensity of fatigue and / or cramp and / or expiratory activity, the acceptable target intensity is designed as a time-constant target area or target point.
  • the acceptable target intensity is designed as a time-constant target area or target point.
  • control device can also be designed to automatically provide the patient with feedback on a training course and / or a goal achievement by means of maneuvers of the respiratory influencing device.
  • This feedback is preferably carried out in an interactive or practical or acoustic form. It is preferably not necessary for the person or the patient to visually capture a representation on a display unit.
  • control device can be designed to automatically receive the information about the muscle condition as a function of signals that include information about the diaphragm and / or the intercostal muscles and / or antagonists and / or other auxiliary respiratory muscles that are in
  • Embodiments can be designed as a Sternocleidomastoideus to determine. By taking these additional parameters into account, excessive demands on the person or the patient can advantageously be better avoided, and a change in the patient's posture can be distinguished from respiratory muscle abnormalities.
  • control device can be designed to automatically determine the information about the muscle condition as a function of a pneumatic signal.
  • the device for influencing respiration can thus advantageously take into account further essential parameters of the person's or patient's condition, which increases the reliability of the prognosis
  • the control device can be designed to automatically carry out an evaluation, weighting and summary for at least some signals when determining the information about the muscle condition.
  • the training mode is determined depending on the combined signals.
  • parameters that are particularly important for the person or the patient can be weighted more heavily or unimportant parameters can be weighted less or not at all. The respiratory influencing device can thus be better adjusted to the state of the person / patient.
  • control device can also be designed to automatically carry out a diagnostic maneuver on the muscle state of the person through targeted loading.
  • diagnostic maneuver can include a time-limited, predetermined control of the respiratory influencing device that deviates from the normal mode.
  • a further operating mode of the device can thus advantageously be used, which can be used, for example, to set the training parameters for a person or to facilitate diagnosis for the attending physician and to further increase the precision of the determination of the information about the muscle condition.
  • control device can also be designed to output and / or output the results of the diagnostic maneuver and / or information about the muscle condition and / or parameters of a respiratory performance, optionally in each case based on target specifications for the person, in a form that can be perceived by a person Output parameters of the training mode.
  • a target / actual comparison can advantageously be carried out by the person exercising, the trainer, the patient or the treating doctor, with the target / actual comparison being able to be determined in relation to a training plan.
  • Embodiments further create a breathing device for ventilation of a person comprising a device for influencing the respiratory muscles of the person according to the invention and / or according to one of the previous exemplary embodiments, the control device also being designed to activate the respiratory influencing device as a function of the information about the muscle condition at a first point in time to operate in a normal mode with a first training intensity and at a second point in time in a training mode with a second training intensity. Furthermore, the control device is designed to set the training mode and the second training intensity during the normal mode of the breathing influencing device as a function of the information about the muscle condition for future second Adjust times.
  • the same device can thus advantageously be used alternatively for ventilation of patients and for training, which at least saves equipment costs, since many components, for example the EMG sensors, mouthpieces, etc., can be used together. Furthermore, the same device can optionally be used to carry out supportive ventilation and respiratory muscle training for the same patient, preferably without having to separate the patient from the device in between.
  • control device can also be designed to execute the training mode as a time-limited change in respiratory support for the person for training the respiratory muscles of the person.
  • a training mode for rebuilding the respiratory muscles can thus advantageously be inserted into the ventilation phases, since the respiratory muscles recede after a short time when the patient is ventilated and breathing may no longer be sufficiently possible without the device.
  • Embodiments further provide a method for influencing the respiratory muscles of a person, comprising detecting an electromyographic signal of the person; generating information about a muscle state of respiratory muscles of the person based on the electromyographic signal; an operation of a respiratory influencing device as a function of the information about the muscle condition in a time-limited training mode.
  • the training mode can advantageously be planned taking into account the state of the muscles and also corrected while it is being carried out.
  • Exemplary embodiments also create a program with a program code for performing the method of the previous exemplary embodiment when the program code is executed on a computer, a processor or a programmable hardware component.
  • the training mode can advantageously be planned taking into account the state of the muscles and also corrected while it is being carried out.
  • the program with the program code is designed as follows: When the program code is executed on a programmed or programmable device, the following steps are effected:
  • At least one piece of information about a muscle state of a respiratory muscle is generated, based on the electromyographic signal.
  • a respiratory influencing device is controlled automatically, depending on the information generated about the muscle condition and in a time-limited training mode.
  • FIG. 1 For exemplary embodiments, create a program with a program code.
  • the program code When the program code is executed on a computer, a processor or a programmable hardware component, the program effects at least the following steps: acquiring an electromyographic signal from a person; Generating information about a muscle state of a respiratory muscle of the person based on the electromyographic signal; and controlling a respiratory influencing device as a function of the information about the muscle state in a time-limited training mode.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a simplified device for
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a device connected to a person for influencing the respiratory muscles of a patient
  • Intensity range for various parameters including a preference weighting
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a simplified device for influencing the respiratory muscles of a person with an input and output device
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a refined device for influencing the respiratory muscles of a person
  • FIG. 6 shows a refined block diagram of the interaction of the modules of the device for influencing the respiratory muscles during a training session
  • 7 shows a method for influencing the respiratory muscles; 8 shows a breathing work diagram;
  • 9A is a display showing screen representations of results of training sessions.
  • 9B is a display of details of a training session.
  • FIG. 10 is a refined block diagram of a muscle condition monitoring unit.
  • Fig. 1 illustrates an embodiment of a device 10 for
  • Influencing the respiratory muscles of a person 20 with a detection device 12 for detecting an electromyographic signal of the person; a respiration influencing device 14; and a control device 16 for controlling the detection device 12 and the respiration influencing device 14.
  • the control device 16 is designed, based on the electromyographic Signal to determine information about a muscle state of a respiratory muscle of the person.
  • the control device 16 is also designed to operate the respiratory influencing device 14 as a function of the information about the muscle condition in a time-limited training mode with a training intensity.
  • the detection device 12 can, for example, be one or more sensors, sensor elements, electrodes or electrode pairs, e.g. Needles, fine wire, electrodes, surface electrodes, pressure sensors, volume sensors, flow sensors, gas concentration sensors, which provide corresponding sensor signals or information.
  • the respective sensors can optionally be coupled to corresponding evaluation electronics and provide correspondingly processed signals, for example amplified and / or filtered and / or smoothed signals.
  • the detection device can comprise an amplifier with an analog / digital converter.
  • preprocessing of the EMG signals can take place in exemplary embodiments. This prior to processing can include a baseline filter for offset removal, removal of EKG artifacts and / or removal of power supply artifacts (in particular 50/60 Hz) (powerline artifacts).
  • the device 10 further comprises the breathing influencing device 14.
  • the breathing influencing device 14 can, for example, make breathing more difficult, which is caused by narrowed cross-sections or controlled valves or the like.
  • the degree of difficulty can be set from slight to maximum difficulty in breathing, and in one embodiment can be set automatically by the device 10 according to the invention. Furthermore, the
  • Breathing influencing device 14 comprise a plurality of sensors which detect the extent of the breathing difficulty and convert it into signals.
  • the respiratory influencing device 14 can also detect pneumatic parameters, for example the amount and the speed of the inhaled or exhaled air of the person or patient exercising.
  • the respiratory influencing device 14 comprises, for example, at least one of the components of an inspiratory part and an expiratory part.
  • the inspiration section provides the patient 20 with the gas mixture or the ambient air for inhalation Available.
  • the inspiration part optionally has two gas connections (for oxygen and compressed air), which can be connected to a local gas supply unit. Alternatively, the gas connections can also be connected to a central gas supply. In the following gas mixing unit, an air-oxygen mixture with a certain oxygen content can be provided.
  • the gas is made available to the patient through the inspiration valve.
  • the inspiration valve is preceded by a flow measurement.
  • the pressure is measured by the detection device, for example by means of a pressure sensor downstream of the valve.
  • the expiration part enables the patient to exhale and releases the exhaled air to the environment, for example.
  • the expiratory part ensures that a minimum pressure (PEEP) is always maintained in the lungs
  • the device 10 also comprises a data-processing control device 16 which is coupled to the detection device 12 and the respiratory influencing device 14.
  • the control device 16 automatically receives and processes signals from the detection device 12 and automatically controls the respiratory influencing device 14.
  • the control device 16 can correspond to any desired controller or processor or a programmable or programmed hardware component.
  • the control device 16 can also be implemented as software that is programmed for a suitable hardware component.
  • the control device 16 can be implemented as programmable or programmed hardware with software adapted according to the invention.
  • the invention can be implemented using appropriate software on an already existing hardware component. Any processors, in particular digital signal processors (DSPs), can be used. Embodiments are not restricted to a specific type of processors. Any processors or even several processors for implementing the control device 16 are conceivable.
  • DSPs digital signal processors
  • the training mode for respiratory muscle training is used in a training session.
  • Each of the training sessions includes an initial analysis phase and a subsequent training phase.
  • the training mode has the task of strengthening the respiratory muscles, which can be achieved in a variety of ways.
  • the control device 16 can also include a planning unit 172 (not shown in FIG. 1). This automatically plans the next training session. If the planning unit 30 receives information on the muscle condition that is contrary to the training, the following training phase can also be automatically postponed or even be omitted entirely. For recurring training sessions, the data from the previous training phase can also be used instead of a further analysis phase.
  • the training task determined by the planning unit 172 is carried out.
  • One not shown in FIG. 1 is a diagrammatic representation of the training task determined by the planning unit 172 .
  • the muscle condition monitoring unit 174 of the control device 16 has the task of permanently monitoring the condition of the patient and in particular of the muscles and making recommendations for the adaptation of the training mode, intensity and duration.
  • muscle states fatigue, neuromuscular efficiency, muscle regeneration [for example quantified by DOMS (Delayed Onset Muscle Sornes)], electromuscular delay, risk of atrophy, change / deviation in the division of muscle groups, expiratory activity, inspiratory activity , a countercyclical activity, harmful
  • Harmful pressure conditions in the lungs cause the lung pressure to leave a specified range, which is automatically detected.
  • This predetermined area can be designed as a function of the lung conditions of the patient and can thus assume different values and be automatically determined while the patient is connected to the device 10.
  • harmful pressure conditions can be based on a fatigue limit of the patient, which in turn can be based on the maximum work of breathing to be performed by the patient himself (WOB: work of breathing) of the patient or person, as will be explained in more detail in connection with FIG. 8.
  • Electromyographic signals are detected by sensor elements that are placed on the person or the patient. These sensor elements transmit their data to the device 10, wherein the data transmission can take place via line connection, radio connection, optical connection or infrared connection, etc., or can also include a mixture of the transmission methods mentioned. A line connection is shown.
  • the electromyographic signal can be determined invasively (in particular by a sensor in the windpipe) or non-invasively (in particular by electrodes on the skin).
  • the EMG activity of one or more respiratory muscles or auxiliary respiratory muscles for example the diaphragm, the intercostal muscles (lat. Musculus intercostalis) and / or the auxiliary respiratory muscles can be recorded or recorded.
  • the detection device 12 can comprise one of the above-mentioned sensor elements, the sensor element being designed for invasive or non-invasive, ie superficial, detection of the electromyographic signal on the outer skin surface or by means of the outer skin surface of the patient 20.
  • surface electrodes or electrode pairs can be attached to the skin surface of the person or the patient in order to record the electromyographic signal.
  • the signal can then be determined based on measured values from at least one sensor, the or each sensor used being on the outer skin surface, i. on the outside of the person or on the patient, outside the body orifices such as the mouth, nose, ears, rectum, without intubation.
  • the electromyographic signal is or includes a differential surface-recorded signal which includes information about a respiratory activity of at least one respiratory muscle of the patient. The non-invasive coupling is preferred for exercising people.
  • FIG. 2 illustrates the device 10 for influencing the respiratory muscles in an exemplary embodiment as a respiratory muscle training device 22 for hand use.
  • the device 10 can be designed as a mobile respiratory muscle training device 22.
  • FIG. 2 shows the coupling between the person or the patient and the device 10.
  • This coupling comprises a pneumatic coupling through which the breath of the person or the patient is passed through the device. This can include both expiratory and inspiratory breathability.
  • the respiratory influencing device 14 is coupled to a person 20 or a patient 20 by means of pneumatic structures, such as hoses, masks, valves, branches, (endotracheal) tubes, etc.
  • a portable device can be understood in exemplary embodiments that can be used independently of stationary available elements such as electricity, compressed air, oxygen or coupling elements to other machines and, in one embodiment, includes its own power supply unit. It typically has a handle or a corresponding housing design, with the help of which it can be held during use and possibly also during transport. Its weight also makes the device easy to carry and does not exceed five kilograms. It is equipped with output / input devices that allow the device to be operated and various parameters to be read out.
  • the energy supply (not shown) of the mobile respiratory muscle training device 22 is ensured by conventional mobile energy sources, for example by rechargeable and / or exchangeable accumulators.
  • the mobile respiratory muscle training device 22 also has an input / output device (not shown) for its operation and for outputting information.
  • a memory for storing parameters and / or previous training results can be present in exemplary embodiments.
  • the training mode is carried out as an automatically and deliberately induced, time-limited difficulty in breathing for the person or patient 20 for training the respiratory muscles. Accordingly, in addition to parameters for the difficulty of breathing, parameters for the duration and course of the training can also be specified in exemplary embodiments. These training courses can also be stored, displayed and / or changed in the device 10.
  • the training mode can be understood as a deviation from the normal mode of the device for influencing breathing, in which the patient or person is adequately assisted in breathing.
  • the respiratory muscle detection device temporarily changes the ventilation parameters with particular monitoring of patient parameters, which may indicate an overload of the patient.
  • a detected overload of the patient or the person can lead to a change in the training mode, which can influence its termination, its interruption, and / or its parameterization.
  • the difficulty of breathing is achieved by pneumatic structures, which are created by narrowed cross-sections or controlled flaps, or air-permeable membranes the like is effected in breathing tubes which the person or the patient puts into the mouth or which are connected to corresponding mouthpieces.
  • the degree of difficulty can be adjusted from light to maximum difficulty of breathing.
  • the difficulty depends on the breathing speed.
  • sensors in the pneumatic device can determine the air speed of the breath. The device 22 takes these into account when setting the mechanical elements for breathing difficulty.
  • Breathing difficulty can also be understood as a reduction in breathing support, which in exemplary embodiments can be provided automatically by a ventilator. In exemplary embodiments, this reduction can lead to residual breathing support, which, however, already acts as training for the patient.
  • a breathing difficulty is not limited to a breathing difficulty compared with free breathing without a ventilator. Instead, the training can also be carried out as free breathing, i.e. as breathing without a ventilator or also as a reduced breathing load, which, based on a low breathing support by a ventilator, now comprises a slight difficulty during training, the difficulty arising from the lack of support and the actual breathing difficulty.
  • the training mode can be adapted adaptively to influencing the breathing of the person or of the patient 20 by the breathing influencing device 14 as a function of the information about the muscle condition.
  • the pressure conditions in the lungs in particular the “driving pressure”, determined from EMG and pneumatics, can be taken into account for adaptation. This adaptation takes place during the training, specifically via online analysis and / or after the training via offline analysis.
  • Step 1 Recommendations based on individual observations
  • a recommendation for the further training course is automatically generated according to the result of each of the EMG-based status signals, which in this step is still independent of the other status signals.
  • Criteria for a termination are, for example:
  • a possible case would be, for example, when the proportion of muscle work applied by the diaphragm falls below a small percentage in relation to the total muscle work;
  • o harmful pressure conditions in the lungs which can be detected, for example, by means of an EMG-based estimation of the pressure conditions in the breathing system. o persistent cramps or coughing or hiccups;
  • the main task of the evaluation units is to automatically derive a recommended training intensity from each status signal.
  • a recommended training intensity is output, which can be weighted according to the requirements of the respective status. Intensity areas that are absolutely to be avoided can be excluded with a weighting of zero. For example, this could be The result of the fatigue analysis will be that the muscle is currently not exhausted, i.e. both an increase and a decrease in the training intensity are in principle acceptable.
  • the weighting can be implemented in various ways, for example by means of representation as fuzzy sets and / or application of fuzzy logic or fuzzy control.
  • the previous training course can also be taken into account in order to estimate, by means of comparison with previous training courses, what effect a change in intensity of a certain size could have on the various muscle condition parameters.
  • Step 2 Weighting the recommendations based on the individual observations
  • the recommendations of the various observation units are automatically weighted relative to one another in order to control the influence of the various observations on the final intensity recommendation.
  • the spasm detection could have a greater influence on the final recommendation than the fatigue detection. Missing status information can be disregarded in the context of the weighting (weighting: zero).
  • a user in FIG. 9B-1 (part D, training details) can influence both the acceptable value range and the weighting via the graphical user interface and thus parameterize the training evaluation.
  • the weighting of the individual observations can be dependent on all other observations - for example, taking into account the EMG magnitudes when cramps or coughs occur does not make sense; the weighting of the magnitude observation should therefore be reduced in this case.
  • a fatigue index used, for example can provide imprecise information when muscle recruitment occurs and should therefore be weighted less heavily in this case.
  • a possible special case of the above general procedure is to set all weightings to zero except for one weight in order to control the training can only be realized on the basis of a single size.
  • methods can be implemented in which the training intensity is automatically adapted (regulated) in such a way that the person / patient has to apply a fixed, predetermined EMG amplitude or a fixed, predetermined work of breathing.
  • Step 3 Combining all information into a final intensity recommendation
  • a final recommendation to change the training intensity is made based on the weighted intensity recommendations based on the individual observations.
  • the training intensity should be chosen so that it has the greatest possible weighting in as many of the isolated recommendations as possible (i.e. follows the individual recommendation as closely as possible), under the secondary condition that it is at least in each of the isolated recommendations must be acceptable.
  • the state signal 1 shows fatigue or also muscle fatigue, which is explained in more detail at the beginning.
  • the state signal 2 shows a cramp parameter, that is to say a measure of the cramping of the respiratory muscles.
  • the state signal 3 shows a measure of the expiratory activity, that is to say a measure of the person or patient's exhalation.
  • Each state signal has an acceptable intensity range, so that each state can be tolerated to a certain extent in training mode. This acceptable intensity range is shown as an area along the training intensity.
  • the representation includes a preference weighting of the respective status signal, so that more important statuses can be weighted more heavily, while unimportant ones States can be weighted less.
  • control device 16 can be designed to influence the training mode with regard to a training duration.
  • the determination of the training intensity is described in detail as part of the online analysis explained above.
  • the online analysis can also determine the duration of the training, which correlates in particular with the training intensity. Accordingly, a longer training duration can be set for trained respiratory muscles than for weak respiratory muscles.
  • control device 16 can be designed to abort and / or interrupt the training mode as a function of the information about the muscle condition.
  • a unit that can request that the current training session be terminated. It is advisable that this unit is (quasi) continuously active and can therefore also signal an interruption during a breath.
  • the termination information can be signaled from individual evaluation units and are OR-linked.
  • the individual evaluation units can correspond to the status signals of FIG. 3 and include fatigue, spasm and expiration, but are not limited to these parameters. It is sufficient for the signal to come from one of the evaluation units.
  • the duration of the interruption can depend on the strength of the respective status signal. Alternatively, it can also be specified as a constant parameter.
  • the aborting or interruption of the training mode can be carried out as a function of a signal that damages information about at least one element of the group of a change / deviation in the muscle group division, an expiratory activity, an inspiratory activity, an anti-cyclic activity Pressure conditions in the lungs, persistent cramps, coughing or hiccups, muscle fatigue above a threshold that is regarded as intolerable and the detection of pathological conditions that can harm a person.
  • the intercostal muscles, the diaphragm muscles, other auxiliary respiratory muscles and the Antagonists e.g. abdominal muscles, straight abdominal muscles (rectus abdominis).
  • the interruption can optionally be coupled with the establishment of a time for the next training session.
  • the parameters mentioned above can be taken into account. Accordingly, at the end of a training session, based on the evaluations, a prognosis for the expected necessary recovery time can be made and the next training session scheduled.
  • the EMG data can optionally also be used to check during normal operation whether the recovery of the muscle has progressed so far that further training appears sensible. In this way, the set training time can be corrected again, taking into account the current patient condition.
  • control device 16 can be designed to output parameters of the training mode and / or parameters of a respiratory performance of the person or the patient 20 during the duration of the training mode or after the training mode of the respiratory influencing device 14.
  • This output can also be designed as an input / output device and is used in particular for the person / patient to report back on their performance.
  • the output device can be designed for a trainer or treating doctor, which can include a separate input / output unit.
  • the input / output unit can also include a machine interface, for example in the form of a plug or a wireless interface or a software interface.
  • the duration of the training mode can result from a time specification or it can be event-driven.
  • the duration of the training mode can also be given by a combination of the time specification and an event. For example, it is possible to wait for the occurrence of the event for a specified period at most. If the event does not occur before the specified duration has elapsed, the training mode is ended after the duration has elapsed. Events can occur depending on the muscle condition of the patient or the person. On the basis of the EMG-based information about the current muscle state and the applied neuronal muscle activation, it is possible to give the patient individual feedback on the course of the training in real time. The following information can be included: How close is he to achieving the training goal?
  • This feedback can for example take place visually by means of a display, acoustically, haptically or in combination.
  • the person or the patient can optionally receive feedback on the course of the training and / or the achievement of goals through maneuvers or special ventilation artifacts of the ventilator.
  • the patient should be able to initiate training sessions independently using a suitable input or respiratory muscle training device and to be able to modify the duration and intensity of the training. This can be done, for example, via a standard touch display or via more specific input devices such as a button or a pressure ball that the patient can press in a certain rhythm in order to initiate a training session. It would also be conceivable that the patient can initiate a training session via a specific breathing rhythm or special breathing maneuvers.
  • the maneuvers can be designed as additional or missing ventilation boosts, they can also include conventional ventilation boosts in a significantly higher or lower amount of air, also called ventilation amplitude. They can also include temporarily stopping ventilation and changing the ventilation rate.
  • the maneuvers can be understood as feedback for the patient, which in exemplary embodiments can also be carried out in the non-visual area. This can be haptic or tactile feedback for the patient or the trained person.
  • FIG. 4 shows the device 10 expanded by an input / output device 18. This can be designed both for a machine coupling with other devices and as one or more interfaces for human interaction, so-called man-machine interfaces.
  • the control device 16 can be designed to carry out the output 18 optically and / or haptically and / or acoustically and in relation to a target variable for this person or the patient 20.
  • the output can include the above-mentioned parameters of the training mode and / or parameters of a respiratory performance of the person or the patient 20, which are output by the respiratory influencing device 14 during the duration of the training mode or after the training mode.
  • As an optical output an interactive screen, signaling lamps or the like is possible.
  • a vibration device, a temperature or a change in shape of a handset, for example a ball, for patients can be considered as haptic output.
  • Acoustic outputs can be in the form of signals or voice output.
  • acoustic-visual outputs or special ventilation artifacts of the hand-held device can also be used.
  • the output can take place in a form that can be perceived by humans.
  • control device 16 can be designed to enable the person or patient 20 to initiate and / or parameterize the operation of the training mode of the respiratory influencing device 14. This can be done in particular by an operating element of the device 10 if the device 10 is designed as a training device. If the device also includes a ventilation device, a separate respiratory muscle training device can also be designed for the patient. This respiratory muscle training device can also include the input / output device mentioned above, so that a remote control of the device is available to the patient. This remote control can be limited to a partial function of the device 10, in particular to functions that make the training mode initiable and / or parameterizable.
  • control device (16) can be designed to provide the patient with feedback on the progress of the training and / or the achievement of a goal by maneuvering the respiratory influencing device (14). These maneuvers can be designed as specific ventilation boosts, as explained in more detail in the introduction. Accordingly, they can also be recorded by patients who are severely limited in their perception. This makes it possible to motivate the patient and / or provide feedback to the patient himself in such cases.
  • the control device 16 can be designed to determine an acceptable target intensity of fatigue and / or cramp and / or expiratory activity, the acceptable target intensity being designed as a target area or target point that is constant or changeable over time.
  • target areas for example for fatigue, cramp or expiration
  • Two special cases of online analysis are possible here: a) The choice of a single target point instead of a target area (pulse weighting function) to to force a certain value of an observation as a goal and b) the choice of time-variable target areas for the different observations, for example to achieve the target of a steadily increasing fatigue index.
  • the control device 16 can be designed to determine the information about the muscle condition as a function of signals that include information about the diaphragm and / or the intercostal muscles and / or antagonists.
  • the abdominal muscles, the straight abdominal muscle (rectus abdominis) can be taken into account as antagonists.
  • the control device 16 can be designed to determine the information about the muscle condition as a function of a pneumatic signal.
  • the pneumatic signal can be recorded as a breathing signal of the patient that is typical for the human breathing cycle. Embodiments can thus enable a less complex or as natural as possible detection of the pneumatic signal.
  • the detection device can be designed, for example, to detect the pneumatic signal as a pressure signal or as a volume flow signal on the person or the patient. Embodiments can thus allow the use of ventilation masks with standard components that are designed as sensors. At least in some exemplary embodiments, the detection device can be designed to detect the pneumatic signal as an expiratory and / or inspiratory breathing signal from the patient.
  • embodiments can thus allow an evaluation of the patient's expiratory and / or inspiratory breathing signals.
  • a breathing signal from a person or a patient is understood here to be a signal that includes information about the breath, such as pressure, volume or concentrations, for example oxygen O 2, carbon dioxide, CO 2, water H 2 O, etc.
  • the control device 16 can be designed to carry out an evaluation, weighting and summary for at least some signals when determining the information about the muscle condition; and to determine the training mode depending on the combined signals.
  • the weighting can be
  • control device 16 can be designed to carry out a diagnostic maneuver on the muscle state of the person or of the patient 20 by means of targeted loading.
  • a diagnostic maneuver on the muscle state of the person or of the patient 20 by means of targeted loading.
  • the following can be used for diagnosis:
  • a diagnostic maneuver can be understood to mean a method of the device 10 that supports the establishment or determination of a physical or mental illness by the doctor.
  • the diagnostic maneuver can also take place during normal breathing.
  • it can also be triggered by changes in the patient's intensity that take place “naturally”. This also includes changes in intensity that were carried out for therapeutic reasons other than respiratory muscle training.
  • the control device 16 can also be designed to output the results of the diagnostic maneuver and / or parameters of a respiratory performance in each case related to target specifications for the person 20 and / or output parameters of the training mode and / or, in exemplary embodiments, the information about the muscle condition.
  • the targets can be specified statically or dynamically. Static targets can be indications of weaning the patient from the device designed as a ventilator (weaning index) or the minimum performance of the respiratory muscles to avoid their regression, also known as the antrophy index. Fatigue, cramp or expiratory targets etc. are also possible. Dynamically specified targets can take into account the change in the respiratory muscles of the person or the patient. For example, a fatigue target can be adjusted as a function of at least the current fatigue index. The same applies to the atrophy target as a function of at least the current fatigue index. Furthermore, embodiments create a breathing device 100 for ventilating a person or a patient 20 comprising a device 10 for
  • the control device 16 also being designed to control the respiratory influencing device 14 as a function of the information about the muscle state at a first point in time in a normal mode with a first training intensity and at a second point in time in a training mode with a second training intensity to operate, and wherein the control device 16 is further designed to adjust the training mode and the second training intensity during the normal mode of the breathing influencing device 14 depending on the information about the muscle condition for future second points in time.
  • the breathing device 100 can be designed as a ventilator.
  • the ventilator can be connected to the patient either by means of a tube or in a non-invasive way (e.g. ventilation mask).
  • the normal mode includes ventilation of a patient, which supports breathing in a known manner over the long term, so that, in contrast to the training mode, the normal mode ensures optimal lung-friendly breathing for the patient in the long term.
  • the breathing device 100 comprises at least one of the components of a gas mixing unit (oxygen and compressed air), flow measurement inspiration, an inspiration valve, a pressure measurement inspiration, an inspiration tube, a flow measurement expiration, an expiration valve, a pressure measurement expiration, an expiration tube, an oxygen supply, a compressed air supply, a Expiratory outlet and a microcontroller unit 16, which can be coupled to the pressure and flow sensors as well as the valves and the gas mixing unit.
  • a gas mixing unit oxygen and compressed air
  • the adaptation of the training mode during the normal mode is also called offline analysis.
  • the offline analysis is only carried out at the end of a training session.
  • the signal curves of the individual muscle condition indicators must therefore be temporarily stored.
  • the process is basically similar to the online analysis, see the description of the online analysis above. However, there are sometimes different evaluation criteria, different weightings and different constraints in the optimization task.
  • more attention is paid to the course of the EMG states during the training session. The aim is to determine whether problematic conditions have developed over the course of the training. Particularly in the case of past changes in the training intensity from one training session to the next, it can be assessed here whether and how the change in the training task has affected the muscle condition.
  • a fundamental difference to the online analysis is that in the offline analysis not only a different training intensity, but also a different training mode can be recommended. This can be useful, for example, if a patient or person does not tolerate a certain mode well, or to increase the training variability.
  • the recommendations of the offline analysis unit can be processed automatically (in the planning unit) and displayed to the device user (clinical staff, trainers). In the latter case, the decision-making is made by the device user, supported by the recommendations and information provided by the evaluation unit.
  • the threshold values can be adapted, from which a certain level of fatigue or a certain ratio of diaphragmatic and intercostal activity is assessed as critical. Possible reasons for the adaptation of these threshold values are a changed training intensity,
  • control device 16 can also be designed to execute the training mode as a time-limited change in respiratory support for the person or the patient 20 for training the respiratory muscles of the person or the patient 20.
  • FIG. 5 describes a further exemplary embodiment of a refined representation of the device 10 or the breathing device 100 for influencing the respiratory muscles of a person or a patient.
  • the device 10/100 comprises the respiratory influencing device 14, which can be pneumatically connected to the patient or the person, which is typically done by hoses, mouthpieces, etc.
  • the device 10/100 further comprises the detection device 12 for detecting the EMG signals of the patient or the person.
  • the detection device 12 supplies the EMG signals to the control device 16, which optionally receives a signal from the respiratory influencing device 14 that is based on the pneumatic properties of the patient's or person's 20 breathing.
  • the control device 20 transmits a control signal to the breathing influencing device 14 for setting the breathing influencing of the patient or the person 20.
  • the control signal is based on evaluations of the EMG signals and the optional pneumatic signal.
  • a training control 170 of the control device 16 generates the control variables and setpoints for the breathing influencing device 14 for the training mode.
  • a planning unit 172 of the control device 16 also determines the training task for the next training mode.
  • the muscle condition monitoring 174 of the control device permanently monitors the condition of the patient or the person and in particular monitors the relevant muscles. It gives recommendations for adapting the training mode, intensity and duration.
  • the breathing device for the training mode which is used during a training session.
  • the planning unit 172 is supplied.
  • This additionally receives user inputs from the user component 176 and supplies signals to the training control 170, which also receives signals from the online analysis of the muscle condition monitoring 174.
  • the training controller 170 supplies control variables and control values to the respiratory influencing device 14 and to the training mode of the muscle condition monitoring 174.
  • the breathing influencing device 14 is pneumatically coupled to the patient or person 20 and supplies respiratory parameters to the pneumatic signals from the muscle condition monitoring 174.
  • the patient 20 receives Feedback, also called feedback, from the patient feedback 178 and supplies his muscle activities to the EMG amplifier 13, which in turn supplies EMG to the EMG unit of the muscle condition monitoring 174.
  • the previously mentioned components of the muscle condition monitoring 174 are linked within the muscle condition monitoring 174 with all other components, 1st amplitude, 2nd mechanical load, 3rd exceptional condition, 4th fatigue and 5th condition, which in turn are linked to all supplementary components which Online analysis, offline analysis and scoring include, are linked.
  • the online analysis supplies its information additionally to the patient feedback 178 and to the user feedback 180.
  • the offline analysis supplies signals to the planning unit 172.
  • the scoring supplies signals to the user feedback 180.
  • the user feedback 180 supplies information to the user component 176.
  • the aforementioned components can be implemented as distributed or combined hardware, as software or as preprogrammed hardware elements that contain a processor.
  • respiratory muscle training consists of recurring training sessions in which the training mode is used. Each of the training sessions consists of an initial analysis phase and the subsequent training phase.
  • the planning unit determines a training task for the following training phase. These include:
  • training modality for example negative minimum inspiratory pressure, controlled by WOB (work of breathing), by EMG threshold value, etc., also called training mode here,
  • the duration of the training can also be postponed or omitted entirely.
  • the previous training phase can also be used instead of a further analysis phase.
  • the training task determined by the planning unit 172 is carried out during the training session.
  • the muscle condition monitoring unit 174 has the task of permanently monitoring the condition of the patient and in particular of the muscles
  • the offline analysis unit After the training phase, the offline analysis unit becomes active. It evaluates the training phase
  • the offline analysis unit has the following tasks:
  • the ventilation mode which is also referred to as normal mode, can of course also be adapted outside of the training sessions.
  • one or more electromyographic signal (s) from a person or a patient are recorded in the record block 42.
  • Information leads from the acquisition block 42 to the generation block 44, which generates information about a muscle state of a respiratory muscle of the person 20 based on the electromyographic signal.
  • additional or alternative measurement signals such as pressure, volume flow (flow), volume and / or etC02 can be used.
  • Information leads from the generate block 44 to the operate block 46, which operates 46 a respiratory influencing device 14 as a function of the information about the muscle state in a time-limited training mode.
  • embodiments create a program with a program code for carrying out the method 40 if the program code is executed on a computer, a processor or a programmable hardware component.
  • exemplary embodiments create a program with a program code when the program code is executed on a computer, a processor or a programmable hardware component.
  • the program comprises the following steps: acquiring (42) an electromyographic signal from a person; Generating (44) information about a muscle state of a respiratory muscle of the person (20) based on the electromyographic signal; and control (46) of a respiratory influencing device (14) as a function of the information about the muscle condition in a time-limited training mode.
  • FIG. 8 shows a diagram 200 with the patient's respiratory performance and various limit values over time.
  • the lowest curve 210 describes the minimum work of breathing to be performed (WOB: Work of Breathing) by the patient so that no atrophy occurs.
  • WOB Work of Breathing
  • the WOB 220 performed by the patient and the associated fatigue limit 230 are also shown.
  • a line is drawn for WOBself 240, the work of breathing necessary for the patient to breathe independently without a ventilator.
  • the individual training sessions can be seen in the representation as temporary deflections of the WOB 220.
  • the representation is supplemented by the expected WOB if the patient were to breathe completely independently (WOBself) 240 as well as a fatigue limit 230 (estimate of a maximum muscle performance with regard to occurring fatigue) and an atrophy limit (estimate of a minimum muscle performance with regard to occurring muscle atrophy).
  • the WOB (WOBself) 240 required for the patient who breathes independently is calculated as the sum of the WOB 220 performed independently and the portion from the ventilator.
  • the part provided by the ventilator must first be adjusted for ventilation-related additional parts (e.g. additional tube resistance).
  • the drawn fatigue limit 230 characterizes the highest self-inflicted WOB, without which harmful muscle fatigue can develop.
  • the fatigue limit is usually calculated based on EMG by the analysis unit at the end of the training session. If fatigue (determined by the EMG-based fatigue index) occurs during training sessions that is above a level that is desired and justifiable during training, while fatigue did not occur before training, the fatigue limit is increased to set a value between the WOB before exercise and the WOB during exercise. The exact amount depends on the extent of the fatigue index change and the length of time until it occurs. If there is no significant change in the fatigue index during training, the fatigue limit 230 is estimated to be slightly above the training WOB 220. If fatigue also occurs outside of training, the fatigue limit is lowered.
  • the fatigue limit represents the maximum long-term affordable breathing effort.
  • the distance between the fatigue limit and the WOB (WOBself) necessary for independent breathing is to be understood as a ready-to-wean indicator. If the fatigue limit cuts the WOBself and remains permanently above it, it can be assumed that the patient can breathe at least from the respiratory muscles and that weaning can be considered (ready to wean).
  • the drawn in atrophy boundary 210 characterizes the minimum WOB component to be performed by the patient in order to prevent muscle atrophy. If the patient's WOB percentage is below this limit, it can be assumed that the respiratory muscles suffer from atrophy and continue to degenerate. Even if it is possible to derive atrophy from the EMG, this limit is preferably statically based on body weight (and possibly age and gender, illness, temperature and others known parameters of the patient). In an alternative form, when calculating the atrophy limit, the patient's own respiratory work performed in the medium-term past is also used. The atrophy limit is then to be interpreted in such a way that if it is not reached, further degeneration of the muscles due to atrophy is to be expected.
  • the vertical axis is indicated relative to the WOB necessary for independent breathing.
  • the ready-to-wean score expresses how far the patient is able to breathe sustainably himself.
  • the weaning indicator presented here can incorporate further EMG-based muscle condition information.
  • the improved Ready-To-Wean Score is also basically based on the proportion of self-performed WOB in relation to a WOB, which would be necessary for completely independent work. However, the score also takes into account the condition of the muscles during the short-term training sessions. In particular, it is taken into account if there are signs that the load that has to be performed during the short training periods cannot be applied over the long term.
  • EMG-based o Devaluation if expiratory activity occurs (e.g. EMG-based), o Devaluation, if there is heavy recruitment (e.g. EMG-based), o Devaluation, in the case of cramps (EMG-based),
  • 9a and 9B show, in exemplary embodiments, displays on a screen in the form of screenshots which, for example, consist of four parts:
  • Part A a locus plot of the Fatigue Index 250 over time, summarized here by days.
  • further parameters 290 can be selected and displayed, for example the work of breathing that you have performed yourself, the WOB you have performed yourself;
  • Part B Representation of a value over time 270, which is represented here by way of example as training result 260 (training's compliance score);
  • Part C representation of self-performed work of breathing, fatigue and atrophy based on breathing work, which is described in detail as FIG. 8;
  • Part D Training details for the selected training session.
  • the main tasks of this coherent representation are, in particular, o visual communication about the results of a training session or a diagnostic maneuver and the condition of the muscles and the respiratory system;
  • the individual training sessions can be marked in such a way that a link can be established between the various displayed parts AD.
  • this coupling can be resolved by displaying rainbow-colored dots.
  • shapes, numbers, flashing patterns or the like would be conceivable as identification.
  • the user can interactively select which values are to be displayed on the axes (indicated by the drop-down menu). These can be individual values derived from the EMG / pneumatic data (e.g. fatigue, EMG performance of a muscle group or WOB) as well as values / scores derived or combined from them.
  • EMG / pneumatic data e.g. fatigue, EMG performance of a muscle group or WOB
  • values / scores derived or combined from them e.g. fatigue, EMG performance of a muscle group or WOB
  • all of the parameters mentioned above can be incorporated in the exemplary embodiments in FIG. 9B. This can be at least individual parameters all from the groups:
  • an evaluated training result (score of training compliance) as a summary of the training performance, which can be derived from the EMG performance of the muscle groups, among other things;
  • an evaluated training result of internal evaluated muscle condition results as a summary of the internal condition information of the muscle derived from the EMG.
  • This internal state information can include fatigue, neuromuscular efficiency, muscle regeneration [for example quantified by DOMS (delayed onset muscle sornes), electromuscular delay, atrophy risk and max. Pressure / force].
  • further information can be displayed in exemplary embodiments at the points belonging to the individual training sessions. This can be implemented, for example, in a bubble 280 or as a local addition to the data point, which is shown here by way of example as an arrow 300 pointing downwards to visualize an adaptation of the reduced training intensity for the next training session.
  • the points of the training sessions can also be connected by fading lines, different line thicknesses, colors, dotted lines or the like in order to represent the time information. The points can also go through in the locus plot 250 Additional information can be further identified, and thus supplemented with the calendar date of its acquisition as an example.
  • training details should serve the following purposes:
  • ⁇ Part D also has the important task of providing the user with the
  • this is the green arrow 300 in the case of fatigue, which serves as information that a decision was made to increase the training intensity due to very little fatigue.
  • o Characteristics affecting the whole body which for example can be measured as stress measured by heart rate variability.
  • FIG. 9B shows “training details” as display D, which are designated as “respiratory muscle training” with the date and time.
  • “Training properties” graphically displays a training intensity and specifies the training duration as 6 minutes. It is followed by the heading “Breathing”.
  • the work of breathing performed by the patient is shown graphically.
  • individual results each with a number, the score.
  • the individual results include the graphically displayed cough intensity “cough” with the warning triangle 310 and score 2, as well as the correspondingly displayed cramp intensity “cramps” with score 7.
  • muscle properties with the naming and graphic representation of muscle fatigue with arrow 300 and score 5, neuromuscular efficiency with score 7, muscle regeneration (DOMS) with score 8, atrophy risk with score 10 and electromuscular delay with score 10. This list is summarized as the “Internal Muscle Condition Score
  • FIG. 10 shows a refined block diagram of the muscle condition monitoring unit 174.
  • EMG 400, pneumatic signals 410 and training settings 420 provide input signals. These signals are connected to the amplitude block 440, which includes the aspects of muscle group division (not shown), expiratory activity, anti-cyclical activity / temporal course of the breath stroke and thoracic tension without breathing. The signals are also connected to the mechanical load block 442, which includes the aspects of respiratory performance, pressure difference in the lungs, and opposing forces (not shown). Further, the signals are associated with the abnormal contractions block 444, which includes cramps, coughs and hiccups (not shown). The signals are also connected to the fatigue block 446.
  • block state 448 which comprises the aspects of pathology, atrophy, neuromuscular efficiency, muscle regeneration (e.g. quantified by DOMS, delayed onset muscle sornes) and electromuscular delay (not shown).
  • the output signals of blocks 440, 442, 444, 446 and 448 are in turn linked to the blocks offline analysis 460, online
  • each of the above-mentioned aspects of all blocks 440, 442, 444, 446 and 448 are linked to corresponding online evaluations 464 to 466, which in turn are connected to corresponding online weightings 474 to 476, which, for the sake of clarity, are only illustrated as two blocks.
  • the online analysis also includes a function recommendation to stop training / recommendation for a “small” recovery break 462, which are also connected to the online evaluations 464 to 466.
  • Cross-relationships 490 is connected to the online evaluations 464 to 466 and the online weightings 474 to 476 on the input side and also to their control.
  • a summary for the adaptation of the training intensity during the current training unit 480 is connected to the online weightings 474 to 476. The latter supplies the signal on the output side together with function 462
  • the offline analysis 500 includes the buffering functions for each aspect 514 of the 516 associated with the respective aspect.
  • An offline evaluation for each aspect 524-526 is connected to the corresponding buffers for each aspect 514-516.
  • Offline weights for each aspect 534-536 are consistent with the
  • Weighting determination with consideration of cross-relationships 510 is connected in a controlling manner to the buffer store for each aspect 514 to 516 outputs, the offline evaluation for each aspect 524 to 526 outputs and the offline weightings for each aspect 534 to 536.
  • a finding of EMG comparability 545 is with the
  • a change in training intensity / mode 550 is associated with training settings 420.
  • An update evaluation criterion 560 is associated with the EMG comparability 545, the change in training intensity / mode 550 and with the offline evaluation for each aspect 524 to 526.
  • a summary for adapting the training intensity - recommendation for the planning unit for the next training unit 540 is connected to the offline weightings for each aspect 534 to 536, which on the output side supplies the signal to the planning unit / or as a recommendation to the display 710.
  • the scoring unit 600 comprises the status criteria 610 functions, which are associated with the respective aspects.
  • An estimate WOB intrinsic component 620 is connected to the pneumatic signals 410.
  • a total WOB estimate (device and patient) 630 is associated with the EMG 400.
  • a ready-to-wean score 640 is connected to the three aforementioned blocks 610, 620 and 630 and provides the signal for display 720 on the output side.
  • an estimate (not shown) of the stress level of the entire body can be carried out based on that in the respiratory EMG Heartbeat can be determined by means of heart rate variability.
  • 700 signal for training control 710 Signal to the planning unit / or as a recommendation for display

Abstract

Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Atmungsbeeinflussung einer Person. Die Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) umfasst eine Erfassungseinrichtung (12) zur Erfassung eines elektromyographischen Signals der Person; eine Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) und eine Kontrolleinrichtung (16) zur Kontrolle der Erfassungseinrichtung (12) und der Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14), wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um basierend auf dem elektromyographischen Signal eine Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person (20) zu bestimmen, wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist, um die Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus mit einer Trainingsintensität zu betreiben.

Description

Vorrichtung, Verfahren und Computerprogramm zur
Atmungsbeeinflussung einer Person
Beschreibung
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Computer-programm zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person, insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Konzept für ein Atmungsmuskeltraining einer trainierenden Person oder eines Patienten basierend auf elektromyographischen Signalen seiner/ihrer Atemmuskulatur.
In der konventionellen Technik sind verschiedene Konzepte bekannt, die ein Training der Atemmuskulatur bewirken. Diese basieren in der Regel auf einer Sichtbarmachung einer Atemleistung, die die übliche Atemleistung überschreitet. Somit wird die trainierende Person zu einer verstärkten Atmung angeregt, welche die Atemmuskulatur über den normalen Gebrauch hinaus stärkt. Weiter ist eine Erschwernis der Atmung bekannt, die zum Beispiel durch verengte Querschnitte von Mundstücken oder ähnlichem erreicht wird. Hierbei lassen sich die Erschwernis der Atmung in aller Regel einstellen, sodass von einer geringen Erschwernis der Atmung sich schrittweise immer höhere Widerstände für die Atmung einstellen lassen. Solcher Art Atemmuskeltraining ist sowohl für die Steigerung der Leistungsfähigkeit bei sportlichen Aktivitäten als auch für eine Genesungsunterstützung und zur Rehabilitation nach Krankheiten bekannt, bei denen die Atemmuskulatur geschwächt oder in Mitleidenschaft gezogen wurde.
Arten von Atemmuskeltraining (AMT) - (inspiratory muscle training - IMT)
Grundsätzlich sind verschiedene Trainingsmodalitäten/modi bekannt, um ein Atemmuskeltraining durchzuführen. Die verschiedenen Trainingsmodalitäten unterscheiden sich teilweise in der Art des pneumatischen Eingriffs. Darüber hinaus haben die verschiedenen Trainingsmodalitäten auch teilweise verschiedene therapeutische Ziele. Während einige Trainingsmodalitäten eher die Verbesserung der Muskelstärke (muscle strength) zur Aufgabe haben, haben andere Trainingsmodalitäten wiederum eher die Verbesserung der Ausdauer (muscle endurance) zum Zweck. Einigen Trainingsarten/modi/modalitäten wird in der medizinischen Forschung auch nachgesagt, beiden Zielen zu dienen. Eine Übersicht verschiedener Trainingsarten/modi/modalitäten findet sich im Buch „Textbook of Pulmonary Rehabilitation“ im Kapitel„Inspiratory Muscle Training“ von Daniel Langer. Dazu sind insbesondere die Abschnitte 18.3.4 bis 18.3.7 und die Tabelle 18.3 von Interesse.
Bis auf den Sonderfall Normocapnic Hyperpnea haben diese Methoden die Gemeinsamkeit, dass in dem Atemweg ein passives Widerstandselement eingebracht wird. Zum Teil ist dieses Element geregelt/verstellbar. Im weiteren Sinne zählen dazu auch Flowbegrenzung, Okklusion sowie Druckbegrenzung. Mit Passiv ist in diesem Fall gemeint, dass das Atemmuskeltrainingsgerät nicht selber einen Druck und/oder Volumenstrom erzeugt. Im elektrischen Ersatzschaltbild wäre das Atemmuskeltrainingsgerät ein passives Element (Widerstand, Potentiometer, ggf. hat der Widerstand besondere nichtlineare Spannungs- / Stromkennlinien, oder ist geregelt). Es handelt sich aber nicht um eine aktive Spannungs- oder Stromquelle (es wird keine Energie eingebracht). Für diese Art von Atemmuskeltraining mit einem pneumatischen Widerstand sind verschiedene Geräte kommerziell erhältlich. Teilweise handelt es sich dabei um mobile (handheld) Geräte, die der Patient / die zu trainierende Person selber vor den Mund hält, um dadurch zu atmen.
Darüber hinaus sind die Erfassung und Aufzeichnungen der Leistungsfähigkeit der Atemmuskulatur bekannt, insbesondere für den medizinischen Bereich. Wird zum Beispiel ein Patient künstlich beatmet, so wird die normalerweise von der Atemmuskultur aufgebrachte mechanische Arbeit zumindest anteilig durch ein Beatmungsgerät übernommen. Dabei kann die Atemmuskulatur schon nach wenigen Stunden durch die andauernde Inaktivität geschädigt werden. So ist es oftmals nicht leicht, einen Patienten nach längerer künstlicher Beatmung wieder zu einer selbständigen Atmung zu überführen. Selbst wenn die ursprünglich zur Beatmung führende Erkrankung des Patienten nicht mehr vorliegt, ist es oft nicht möglich, den Patienten einfach vom Beatmungsgerät abzukoppeln. Die während der Inaktivität zurückgebildete Atemmuskulatur ist dann nicht einmal mehr in der Lage, die für den Patienten in Ruhe - das heißt inaktiv im Bett liegend - nötige Atemarbeit zu leisten.
US 2009 0 229 611 A1 beschreibt verschiedene Ansätze, wie ein Atemmuskeltraining für beatmete Patienten durchgeführt werden kann. Dabei wird beschrieben, wie ein solches Atemmuskeltraining in ein Beatmungsgerät integriert werden kann. Laut der Schrift besteht ein Defizit bereits bekannter Verfahren zum Atemmuskeltraining darin, dass dem Patienten nur am Anfang jedes Atemzuges eine definierte Anstrengung abverlangt wird. Es werden daher pneumatische Eingriffe in die künstliche Beatmung vorgestellt, bei denen sichergestellt ist, dass der Patient über dem gesamten Atemzug eine definierte Atemarbeit erbringen muss.
Im Gegensatz zu den vorgehend beschriebenen Geräten zum Atemmuskeltraining bietet ein Beatmungsgerät oftmals weitere und teilweise andere pneumatische Eingriffsmöglichkeiten. Entscheidend ist dabei, dass das Beatmungsgerät eine aktive Druck-/Volumenstromquelle darstellt. Zum einen ist es durch eine entsprechende Druck bzw. Volumenstromregelung der Quelle möglich, gegenüber dem Patienten einen entsprechenden pneumatischen Widerstand zu simulieren. Darüber hinaus bieten sich aber durch die aktive Druck-/Flowquelle noch weitere Atemmuskelbelastungsmöglichkeiten. Ein Bespiel wäre z.B. die Regelung der vom Patienten selbst geleiteten Atemleistung auf einen konstanten Wert. Das Beatmungsgerät würde dann jeweils den darüber hinausgehenden Teil aktiv leisten oder (wenn eigentlich gar nicht so viel Atemleistung gebraucht wird, wie zu Trainingszwecken notwendig ist) entsprechende Obstruktionen/Erschwernisse/Widerstände einbringen. Für weitere Details eines Beatmungsgeräts verweisen wir auf die Offenlegungsschrift DE 10 2015 011 390 A1 und insbesondere auf Fig. 4 und die zugehörige Beschreibung.
Eine weitere Besonderheit beim Atemmuskeltraining in Zusammenhang mit beatmeten Patienten ist auch die Tatsache, dass die Atemmuskelbelastung zum Teil / in der Regel durch eine geringere Entlastung realisiert wird. Ein beatmeter Patient ist in der Regel nicht in der Lage, die notwendige Atemarbeit selbst aufzubringen, nicht einmal die für den körperlichen Ruhezustand notwendige Atemarbeit. Aus diesem Grund ist er/sie an ein Beatmungsgerät angeschlossen. Das Beatmungsgerät übernimmt die Atemarbeit des Patienten ganz oder zumindest teilweise und entlastet ihn/sie dadurch. In diesem Umfeld kann ein Atemmuskeltraining schon dadurch realisiert werden, dass die Entlastung temporär eingestellt oder vermindert wird. Somit stellt eine geringere Entlastung effektiv schon eine Belastung der Atemmuskulatur dar. Zusätzlich sind bei einem beatmeten Patienten gegebenenfalls Beeinträchtigungen aus der aus der laufenden Beatmung zu berücksichtigen. Dazu zählen unter anderem Maximaldrücke, Mindestvolumina, etc. Außerdem sind während des Atemmuskeltrainings unter Umständen Alarmgrenzen anzupassen. Die Offenlegungsschrift„Vorrichtung, Verfahren und Computerprogramm zur Beatmung eines Patienten“, DE 10 2015 011 390 A1 , beschreibt ein Verfahren, bei dem die Unterstützung durch das Beatmungsgerät adaptiv auf den per EMG (Elektromyographie) ermittelten Fatiguezustand des Patienten angepasst wird. Ziel der Regelung ist es, den aus sEMG (surface electromyography, Oberflächen-EMG) Aufnahmen abgeleiteten Fatigue-Index des Patienten konstant zu halten. Im Fall eines steigenden Fatigueindex (höherer Grad von Fatigue) wird die Unterstützung durch das Beatmungsgerät erhöht. Dadurch sinkt die vom Patienten aufzubringende Atemarbeit und die Atemmuskulatur kann sich erholen. Im Fall eines sinkenden Fatigueindex wird die Unterstützung durch das Beatmungsgerät reduziert, sodass ein größerer Teil der Atemarbeit durch den Patienten selbst wahrgenommen werden muss. „Surface Electromyography: Physiology, Engineering and Applications” von Roberto Merletti und Dario Farina (2016, ISBN-13:978-1118987025) beschreibt eine Vielzahl möglicher Anwendungen des Oberflächen-EMGs in Rehabilitation und Training. Zu nennen sind beispielsweise die Überwachung des muskulären Erschöpfungsgrads, des Anteils verschiedener Muskelgruppen an einer Bewegung sowie von Trainings- induzierten Veränderungen des Muskelzustands. Ein weiteres prominentes Anwendungsfeld sind Biofeedback-Methoden, bei denen die visuelle Darstellung von EMG-basierenden Aktivierungsmaßen für den Patienten zur Steuerung und Optimierung des Trainings genutzt werden. Der Internetauftritt„insight Instruments - Was ist Biofeedback?“; URL:
https://web.archive.org/web/20180409201831/http://www.biofeedback.co.at/alles- ueber-biofeedback/was-ist-biofeedback; veröffentlicht am 9. April 2018; lehrt eine Einführung in das Biofeedback. Dabei umfasst sie die grundsätzlichen Funktionen von Biofeedback sowie diverse Anwendungen wie auch dessen Kosten, Vorteile und Risiken. Sie lehrt die Anwendung von EMG (surface electromyography, Oberflächen- EMG) für bestimmte Muskelspannungen.
Die Gestaltung und Steuerung des Atemmuskeltrainings ausschließlich über respiratorische Parameter, die im Wesentlichen von der mechanischen Gesamtleistungsfähigkeit der respiratorischen Muskeln abhängen, berücksichtigt keine detaillierten Informationen über den Zustand der zu trainierenden Atemmuskulatur. Dies betrifft sowohl die Adaption des Trainings-
Regimes, als auch die Auswertung der Trainings-Performance der Person oder des Patienten.
Bedingt durch die Tatsache, dass im Stand der Technik nur in sehr begrenztem Umfang Informationen über den Zustand der Muskeln zur Verfügung stehen, sind die bestehenden Verfahren auch nur in geringem Umfang adaptiv. Diese geringe Adaptivität betrifft sowohl die Möglichkeit, die Trainingslast innerhalb einer Trainings-Session, in der der Trainingsmodus angewendet wird, anzupassen, als auch Anpassungen für die folgenden Trainings-Sessions. Beide können nicht optimal an den Erschöpfungs- beziehungsweise Erholungsgrad der Muskulatur angepasst werden; Über- oder Untertraining mit gravierenden Konsequenzen insbesondere für Personen oder Patienten an Trainings- und insbesondere an Beatmungsgeräten sind möglich. Optimales Training ist für ein gutes Entwöhnungs-Ergebnis (weaning) wichtig. Ein gutes weaning wiederum ist grundlegend für ein gutes klinisches Ergebnis.
Die Interaktion zwischen trainierender Person oder Patient und Trainingsgerät (zum Beispiel ein Beatmungsgerät) ist aktuell in zweierlei Hinsicht nicht optimal: Einerseits erhält die trainierende Person/Patient während eines Trainings keine oder nur wenig Rückmeldung über seine aktuelle Performance in Bezug zur Ziel-Performance, was zu mangelnder Motivation und somit reduziertem Trainingserfolg und zu weniger koordinierter Anstrengung und somit beispielsweise Fehl-Belastungen führen kann, zum Beispiel zu unerwünscht starker exspiratorische Aktivität. Andererseits ist es insbesondere dem Patienten aktuell nicht möglich, selbst Zeitpunkt und Schwierigkeitsgrad der Trainings-Sessions zu bestimmen; er ist somit fremdbestimmt, was ebenfalls starke negative Auswirkungen auf die Motivation des Patienten haben kann.
Entsprechend besteht Bedarf, den Erschöpfungs- beziehungsweise Erholungsgrad der Muskulatur vor, während und nach dem Training genauer zu erfassen und zur Planung und Überwachung der Trainingsphasen und zur Darstellung und Auswertung der Trainingsergebnisse zu berücksichtigen. Diesem Bedarf werden Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung nach Anspruch 1 , eines Verfahrens nach Anspruch 21 und eines Computerprogramms nach Anspruch 22 gerecht. Es wird daher ein unter Zuhilfenahme eines Atemmuskeltrainingsgeräts oder Beatmungsgeräts durchzuführendes Atemmuskeltraining vorgeschlagen. Anhand von EMG-Messungen werden Informationen über den Zustand eines Muskels generiert. Dabei wird einerseits davon ausgegangen, ein Beatmungsgerät als Trainingsgerät zu verwenden. Andererseits wird eine EMG basierte Muskelzustandsüberwachungseinheit auch mit üblichen Atemmuskeltrainingsgeräten (zum Beispiel Handheld-Geräte, die auch für die Heimanwendung geeignet sind) durchgeführt. EMG-Messungen der Atemmuskulatur werden optional mit pneumatischen Signalen kombiniert, um eine umfassende Überwachung des Zustands der Atemmuskulatur zu ermöglichen, wodurch das Atemmuskeltraining besser patienten- oder personenindividuell adaptiert und überwacht werden kann. Diese pneumatischen Signale umfassen:
o Drücke, Volumenströme (Flows) und daraus abgeleitete Größen wie z.B. Volumina oder Zeitprodukte (z.B. Pressure Time Product). Insbesondere sind das Paw (Atemwegsdruck am Patientenanschluss), PEEP (positiver endexspiratorischer Druck), Pinsp (Inspirationsdruck), Patientenflow, Atemzugsvolumen, Minutenvolumen, pneumatische Lungenwiderstände, Lungenelastizität, Atemleistung, Zeitkonstanten der Atmung.
o Gaseigenschaften wie Konzentrationen, Partialdrücke, Fraktionen oder
Temperaturen, insbesondere Sauerstoff 02, Kohlendioxid C02, Wasser H20. Bei kapnographischen Signalen (C02) ist auch insbesondere der endtidale C02 (etC02) zu nennen. In das Atemgas eingebrachte Stoffe (vernebelte Medikamente, Narkosemittel, Helium)
o Aus Druck und /oder Volumenströmen (Flow) und Gaseigenschaften abgeleitete Lungeneigenschaften wie z.B. Lungenvolumina. Die Einbeziehung von EMG vor, während und zwischen den einzelnen Trainings- Sessions ermöglicht die Berücksichtigung genauerer Informationen über den Zustand der zu trainierenden Muskeln. Dadurch kann der Ablauf des Trainings besser an die individuellen Personen- oder Patientenbedürfnisse angepasst werden. Darüber hinaus ermöglicht das Rückmelden der aus dem EMG gewonnenen Informationen an die/den trainierende Person/Patienten eine verbesserte Interaktion mit dem Trainingsgerät.
Entsprechend basieren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf dem Kerngedanken, eine verbesserte Erfassung des Muskelzustandes der Atemmuskel einer Person oder eines Patienten, der beatmet wird oder trainiert, zu erfassen. Der erfasste Muskelzustand dient der Planung und der Steuerung von Trainings zur Stärkung der Atemmuskeln, die bei Beatmung degenerieren oder zu erhöhter Leistungsfähigkeit der Atemmuskeln führen. Durch die Verwendung von Elektromyographie (EMG) ist eine genauere Erfassung der Muskelzustände möglich, die eine verfeinerte
Trainingsparametrierung und -Überwachung erlauben.
Es ist Gegenstand aktueller Forschung, wie die Abgewöhnung (weaning) von künstlicher Beatmung möglichst erfolgreich durchgeführt werden kann. Eine in diesem Zusammenhang vorgeschlagene Maßnahme ist das Training der Atemmuskulatur durch Atemmuskeltraining (inspiratory muscle training, IMT). Beim Atemmuskeltraining wird die Atemmuskulatur des Patienten durch Trainings-Sessions mit einer temporär erhöhten Last gefordert. Diese Trainings-Sessions sollen die Stärke und/oder die Ausdauer der Atemmuskulatur wieder soweit fördern, dass der Patient wieder dauerhaft ohne Unterstützung atmen kann.
Da neben chronischer Unterforderung der Atemmuskulatur auch deren langfristige Überforderung schädlich für den Patienten oder der trainierenden Person ist, ist die Überwachung der Aktivität sowie des allgemeinen Zustandes der Atemmuskulatur kürzlich zunehmend in den Fokus klinischer Forschung gerückt.
Allgemein sind die Anforderungen an ein Atemmuskeltraining:
o Das Training sollte möglichst effektiv sein, um Person/Patienten möglichst schnell wieder das
selbstständige Atmen zu ermöglichen.
o Das Atemmuskeltraining sollte möglichst nachhaltig sein. Es sollte verhindert werden, dass der Patient einen Rückfall erleidet und wieder an ein Beatmungsgerät angeschlossen
werden muss.
o Das Atemmuskeltraining sollte so schonend wie möglich für den Patienten sein o Der Aufwand für das Krankenhaus sollte relativ gering gehalten werden.
Diese Anforderungen lassen sich in engerem Sinne auch auf Rehabilitation und/oder die Entwöhnung von Patienten von Beatmungseinrichtungen, oder im weiteren Sinne auch auf das Training der Atemmuskulatur von Personen, insbesondere Sportlern, übertragen.
Auf Grundlage des EMG allein sowie gegebenenfalls in Kombination mit pneumatischen Daten und Informationen über die Physiologie des Atemsystems können verschiedene, therapeutisch relevante, Beobachtungen über den Zustand der Atemmuskulatur getätigt werden. Um umfangreiche Zustandsinformationen über die atmungsrelevante Muskulatur zu erhalten, ist es hilfreich, nicht nur eine, sondern mehrere EMG- Ableitungen auszuwerten. Dazu gehören neben der Erfassung der Zwerchfell-Aktivität auch EMG-Messungen der Intercostalmuskulatur, von weiterer Atemhilfsmuskulatur sowie der Antagonisten zum Beispiel Bauchmuskulatur, gerader Bauchmuskel (rectus abdominis)]. 1. Amplitude
Anhand der EMG-Amplitude können beispielsweise folgende klinisch relevante
Informationen
bestimmt werden:
o Ein physiologisch nicht sinnvolles Verhältnis der Aktivität von Intercostal- und
Zwerchfellmuskulatur oder allgemeiner dem Verhältnis zwischen den verschiedenen an der Atmung beteiligten Muskeln. Diese Muskelgruppenaufteilung kann auch getrennt jeweils für die Inspirations- als auch die Exspirationsphase bestimmt werden
o starke exspiratorische Aktivität,
o Antizyklische Aktivität (Asynchronie von Patient und Beatmungsgerät),
o allgemeiner: der zeitliche Verlauf der neuronalen Aktivierung der Atemmuskulatur innerhalb eines Atemzuges,
o thorakale Anspannung ohne Atmung, zum Beispiel beim Aufbäumen des Oberkörpers. Dabei ist sowohl das Zwerchfell, die Intercostal- und exspiratorische Muskulatur aktiv. Dies können zum Beispiel Haltungsänderungen sein.
2. mechanische Belastung
In Kombination mit pneumatischen Messwerten können beispielsweise folgende Informationen über die mechanische Belastung des Atemsystems gewonnen werden: o Der zeitliche Verlauf der von der Person beziehungsweise vom Patienten aufgebrachten Atemleistung sowie der zeitliche Verlauf des vom Patienten aufgebrachten Drucks.
o Der zeitliche Verlauf der insgesamt (von Person/Patient und Trainings-System gemeinsam aufgebrachten) am Atemsystem abfallenden Atemleistung
o Die maximal über der Lunge abfallende Druckdifferenz. Dazu gehört auch die maximale Kraft, der maximale Druck.
o Berücksichtigung des Einflusses von antagonistischer Aktivität auf die Atemmuskulatur (zum Beispiel Bauchmuskulatur, gerader Bauchmuskel (rectus abdominis).).
Die über die Lunge abfallende Druckdifferenz oder auch die Druckdifferenz, welche die Lunge„öffnet“, wird auch als Driving Pressure bezeichnet. Ist die Driving Pressure zu klein, wird die Lunge nicht hinreichend rekrutiert. Es kommt zum Kollaps von Alveolen. Ist die Driving Pressure zu groß, wird Lungengewebe evtl überdehnt und so geschädigt. 3. außergewöhnliche Kontraktionen
Mittels verschiedener Signalverarbeitungsmethoden ist es weiterhin möglich, auf Basis von EMG-Signalen außergewöhnliche Muskelkontraktionen wie zum Beispiel Krämpfe oder Husten oder Schluckauf zu detektieren.
4. Fatigue
Zudem kann aus dem EMG der Ermüdungszustand der Atemmuskulatur (Muskelfatigue) detektiert werden. Muskelfatigue ist ein Zustand, in dem die Muskulatur nur noch eingeschränkt dazu in der Lage ist, eine Kraft zu generieren oder aufrechtzuerhalten. Eine sich entwickelnde Muskelfatigue kann schon vor dem Zeitpunkt, an dem die Muskeln eine bestimmte Aufgabe nicht mehr leisten können, durch Veränderungen im EMG-Signal detektiert werden. Dazu sind verschiedene Methoden bekannt aus dem EMG-Signal einen Fatigueindex zu berechnen, der den Grad eintretender Fatigue beschreibt. Verschiedene Verfahren zur Berechnung eines EMG-basierten Fatigue- Index sind bekannt. Muskelfatigue kann dabei insbesondere auch in Abhängigkeit der Zeit sowohl innerhalb einer Session als auch über mehrere Sessions hinweg untersucht werden.
5.„innere“ Zustände
Schließlich können anhand von Signal-Klassifikationsalgorithmen EMG-basierend verschiedene pathologische Muskelzustände detektiert werden. Auch pathologische Zustände des gesamten Atemsystems (zum Beispiel Cheyne-Stokes- Atmung) können EMG-basierend detektiert werden.
Zusätzliche EMG diagnostische Mittel sind Neuromuskuläre Effizienz sowie Muskelregeneration. Die Muskelregeneration kann zum Beispiel quantifiziert durch DOMS (Delayed Onset Muscle Sornes) quantifiziert werden. Die Muskelregenration ist insbesondere auch bei der zeitlichen Planung des nächsten Trainings wichtig. Weitere Mittel sind elektromuskulärer Delay sowie die Erfassung des Atrophie-Risikos. 6. Weitere Informationen, die beim EMG Signal mit anfallen
Im respiratorischen EMG-Signal sind auch kardiogene EKG-Signalanteile vorhanden, die sich durch Signalverarbeitung extrahieren lassen. Die darin enthaltenen Informationen können ebenfalls ausgewertet und genutzt werden. Dies betrifft zum Beispiel den ganzen Körper betreffenden Stress. Dazu kann zum Beispiel die Herzfrequenz (heart rate) ermittelt werden. Zur Quantifizierung des Stresslevels eignet sich insbesondere die Herzratenvariabilität (heart rate variablity, HRV). Darüber hinaus ist es auch möglich einen Stresslevel aus der Übergangsimpedanz der Elektroden zu berechnen. Die mit erhöhtem Stress in Zusammenhang stehende Schweißbildung führt zu veränderten elektrischen Effekten an den Elektroden und lässt sich detektieren.
Im vorherigen Abschnitt wurden verschiedene Verfahren beschrieben, mit denen EMG- basierend Informationen über den Zustand der Atemmuskulatur bestimmt werden können. Um diese Informationen im Verlaufe eines Atemmuskeltrainings sinnvoll nutzen zu können, müssen diese Informationen bewertet, gewichtet und zusammengefasst werden. Beim Atemmuskeltraining werden die einzelnen Zustandsinformationen so verarbeitet, dass daraus Adaptionsempfehlungen für das Atemmuskeltraining generiert werden.
Die Zustandsverarbeitung findet in zwei parallelen Einheiten oder Modulen statt:
o Im Rahmen der Online-Analyse werden während einer laufenden Trainings-Session mögliche Adaptionsschritte bestimmt, die sich sofort auf die laufende Trainings- Session auswirken.
o Im Rahmen der Offline-Analyse wird jede Trainingseinheit rückwirkend ausgewertet.
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können von einer Planungseinheit bei der Planung der nächsten Trainings-Session verwendet werden.
Im Kern lösen beide Einheiten eine Optimierungsaufgabe mit Nebenbedingungen: Durch Anpassung der Trainings-Intensität sowie des Trainings-Modus soll der Trainings- Nutzen maximiert werden, und zwar unter der Nebenbedingung, dass keine gesundheitsschädlichen Zustände der Muskeln oder des Atemsystems erreicht werden sollen. Das Ergebnis ist jeweils eine Empfehlung für die Wahl der T rainings-lntensität in der nächsten Zeiteinheit, wobei insbesondere auch die Trainings-Historie berücksichtigt wird. Dabei kann insbesondere berücksichtigt werden, welchen Effekt bestimmte Trainings-Intensitäts-Niveaus oder Änderungen der Trainings-Intensität in der Vergangenheit auf die Person oder den Patienten hatten. Bei der Online-Analyseeinheit ist diese Empfehlung an die Trainingssteuerung gerichtet und soll sich umgehend auf die laufende Trainings-Session auswirken. Im Fall der Offline-Analyse ist die Empfehlung an die Planungseinheit gerichtet und soll von ihr bei der Planung der nächsten Trainings-Session einbezogen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur automatischen Atemmuskelbeeinflussung einer Person, mit einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines elektromyographischen Signals der Person; einer Atmungsbeeinflussungseinrichtung; und einer Kontrolleinrichtung zur Kontrolle der Erfassungseinrichtung und der Atmungsbeeinflussungseinrichtung. Die Kontrolleinrichtung ist ausgebildet, um basierend auf dem elektromyographischen Signal eine Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person zu bestimmen. Die Kontrolleinrichtung ist ferner ausgebildet, um die Atmungsbeeinflussungseinrichtung in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus mit einer Trainingsintensität zu betreiben. Vorteilhaft kann so der Trainingsmodus unter Berücksichtigung des Muskelzustandes geplant und auch während der Durchführung korrigiert werden.
In einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person als Atemmuskeltrainingsgerät ausgebildet sein, das in Ausführungsbeispielen als mobiles Atemmuskeltrainingsgerät ausgebildet sein kann, bevorzugt mit einer eigenen Stromversorgungseinheit. Vorteilhaft kann so eine verbesserte Handhabung der Vorrichtung erreicht werden, die auch einen mobilen Einsatz unabhängig von Versorgungsnetzen erlaubt, die zum Beispiel unabhängig vom Stromnetz oder in Heimanwendung betrieben werden kann.
In der Vorrichtung kann in weiteren Ausführungsbeispielen ferner die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um automatisch den Trainingsmodus als eine Erschwernis einer Atmung der Person zum Training der Atemmuskulatur auszuführen. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein systematisches Training durchführen, bei dem insbesondere die Dauer und/oder die Intensität und/oder Schwierigkeit zum Beispiel kontinuierlich gesteigert werden kann.
In einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um im Trainingsmodus in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand automatisch eine Atembeeinflussung der Person durch die Atmungsbeeinflussungseinrichtung adaptiv anzupassen. Vorteilhaft kann durch die Anpassung des Trainingsmodus sowohl eine sich abzeichnende Überforderung als auch eine unnötige Unterforderung der trainierten Muskeln vermindert oder vollständig vermieden werden.
Beispielsweise kann in Ausführungsbeispielen die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, um automatisch den Trainingsmodus hinsichtlich einer Trainingsdauer oder die Intensität / Schwierigkeit zu beeinflussen. Vorteilhaft ist die Belastung der trainierten Muskeln mit Hilfe dieser Parameter besonders effizient zu beeinflussen.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um den Trainingsmodus in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand automatisch abzubrechen oder zu unterbrechen. Vorteilhaft lässt sich somit eine Überforderung der zu trainierenden Muskeln vermeiden. Eine solche Überforderung kann unter Umständen zu einer dauerhaften Schädigung der Muskeln führen kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Abbrechen oder die Unterbrechung des Trainingsmodus von der Kontrolleinrichtung automatisch in Abhängigkeit von einem Signal durchgeführt werden. Das Signal kann mindestens eine Information über zumindest ein Element der Gruppe von einer exspiratorischen Aktivität, einer inspiratorischen Aktivität, schädlichen Druckverhältnissen in der Lunge, anhaltenden Krämpfen, Husten oder Schluckauf, Muskelfatigue oberhalb einer als nicht tolerabel angesehenen Schwelle und Detektion von pathologischen Zuständen, die eine Person schädigen können, anzeigen. Vorteilhaft kann durch bevorzugt automatische Überwachung der typischen Symptome eine nachteilige Wirkung auf die Person oder den Patienten effektiv erkannt und vermieden werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann das Abbrechen oder die Unterbrechung des Trainingsmodus in Abhängigkeit von einem Signal automatisch von der Kontrolleinrichtung durchgeführt werden. Das Signal kann mindestens eine Information über zumindest ein Element der Gruppe von einer Änderung/Abweichung in der Muskelgruppenaufteilung und einer antizyklischen Aktivität, über einer als nicht tolerabel angesehenen Schwelle anzeigen. Vorteilhaft kann durch Überwachung von weiteren typischen Symptomen eine nachteilige Wirkung auf die trainierende Person oder den Patienten effektiv erkannt und vermieden werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um Parameter des Trainingsmodus und/oder Parameter einer Atmungsleistung der Person und/oder eine Information über den Muskelzustand während der Dauer des Trainingsmodus oder im Anschluss an den Trainingsmodus der
Atmungsbeeinflussungseinrichtung in einer von einem Menschen wahrnehmbaren auszugeben. Vorteilhaft kann durch die ausgegebene Information die Motivation des Patienten gesteigert werden und/oder dem behandelndem Arzt oder Trainer Diagnosehinweise gegeben werden. Beispielsweise kann die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, um die Ausgabe optisch und/oder haptisch und/oder akustisch und bezogen auf eine Zielgröße für diese Person durchzuführen. Vorteilhaft kann so dem Patienten, dem behandelndem Arzt oder dem Trainer die auszugebende Information leicht erfassbar aufbereitet werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um den Betrieb der Atmungsbeeinflussungseinrichtung im Trainingsmodus durch die trainierende Person / den Patienten initiierbar und/oder parametrierbar zu machen. Vorteilhaft kann so auf die Unterstützung von weiteren Personen zur Vorbereitung und Durchführung des Trainings verzichtet werden sowie das Training ideal an die Bedürfnisse der Person / des Patienten angepasst werden.
In einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um den Trainingsmodus in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand für einen vorgegebenen Zeitraum automatisch zu unterbrechen. Vorteilhaft kann so auf vorübergehende oder schwächere Überforderungen der zu trainierenden Muskelgruppe automatisch reagiert werden, ohne das Training komplett abbrechen zu müssen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um automatisch die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit von Signalen, die eine Intensität einer Fatigue und/oder eines Krampfs und/oder einer exspiratorischen Aktivität anzeigen, zu ermitteln. Vorteilhaft können so die für das Wohlbefinden wesentlichen Parameter der Person oder des Patienten bei der Trainingsplanung und insbesondere bei der T rainingsdurchführung mit berücksichtigt werden.
Beispielsweise kann die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, um automatisch eine akzeptable Zielintensität einer Fatigue und/oder eines Krampfes und/oder einer exspiratorischen Aktivität zu ermitteln, wobei die akzeptable Zielintensität als zeitlich veränderlicher Zielbereich oder Zielpunkt ausgebildet ist. Vorteilhaft kann so eine weitere Verbesserung des Trainings erreicht werden, da eine gewisse Intensität der oben genannten Effekte während des Trainings vertretbar ist und keine Schäden verursacht. Vorteilhaft ist weiterhin, wenn ein im Laufe der Zeit zu erwartender Trainingserfolg bereits beim aktuellen Training berücksichtigt werden kann.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, um automatisch eine akzeptable Zielintensität einer Fatigue und/oder eines Krampfes und/oder einer exspiratorischen Aktivität zu ermitteln, wobei die akzeptable Zielintensität als zeitlich konstanter Zielbereich oder Zielpunkt ausgebildet ist. Vorteilhaft kann so eine weitere Verbesserung des Trainings erreicht werden, da eine gewisse konstante Intensität der oben genannten Effekte während des Trainings vertretbar ist und keine Schäden verursacht. Somit kann selbst bei Ausbleiben des Trainingserfolges eine Schädigung des Patienten vermieden werden.
In Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, dem Patienten durch Manöver der Atmungsbeeinflussungseinrichtung automatisch eine Rückmeldung über einen Trainingsverlauf und/oder eine Zielerreichung zukommen zu lassen. Vorteilhaft kann so einer in ihrer Wahrnehmung stark eingeschränkten Person oder Patient über das Ergebnis des T rainingsunterrichtet werden und so seine Motivation und Akzeptanz für das Training verbessert werden. Diese Rückmeldung wird bevorzugt interaktiver oder praktischer oder akustischer Form durchgeführt. Bevorzugt ist nicht erforderlich, dass die Person oder der Patient eine Darstellung auf eine Anzeigeeinheit visuell erfasst.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um automatisch die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit von Signalen, die Informationen über das Zwerchfell und/oder die Intercostalmuskulatur und /oder Antagonisten umfassen, und/oder weiterer Atemhilfsmuskulatur, die in
Ausführungsbeispielen als Sternocleidomastoideus ausgebildet sein kann, zu ermitteln. Vorteilhaft kann durch die Berücksichtigung dieser weiteren Parameter eine Überforderung der Person oder des Patienten besser vermieden werden, und eine Haltungsänderung des Patienten kann von Atemmuskel-Anomalitäten unterschieden werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um automatisch die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit eines pneumatischen Signals zu ermitteln. Vorteilhaft kann die Atmungsbeeinflussungseinrichtung somit weitere wesentliche Parameter des Personen oder Pateientenzustands berücksichtigen, was die Prognosesicherheit des
Muskelzustandes steigert und die Ermittlung weiterer Informationen über den
Muskelzustand ermöglicht. Dies ermöglicht insbesondere die Bestimmung der meuromuskulären Effizienz (Verhältnis Pmus/EMG, also wie gut der Körper elektrische Signale in Aktivität der Atmungsmuskulatur umsetzt), welche aktuell viel untersucht und erforscht wird. Weiterhin ermöglicht dies die Bestimmung der weiter oben erwähnten „Druckverhältnisse in der Lunge“. In einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, um bei der Ermittlung der Information über den Muskelzustand für zumindest einige Signale automatisch eine Bewertung, Gewichtung und Zusammenfassung durchzuführen. Der Trainingsmodus wird in Abhängigkeit der zusammengefassten Signale ermittelt. Vorteilhaft können somit für die Person oder den Patienten besonders wichtige Parameter stärker gewichtet werden oder unwichtige Parameter weniger oder gar nicht gewichtet werden. Somit lässt sich die Atmungsbeeinflussungseinrichtung besser auf den Zustand der Person/des Patienten einstellen. Beispielsweise kann die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, um automatisch ein Diagnosemanöver über den Muskelzustand der Person durch gezielte Belastung durchzuführen. Dabei kann in Ausführungsbeispielen das Diagnosemanöver eine zeitlich beschränkte, vom normalen Modus abweichende, vorgegebene Steuerung der Atembeeinflussungseinrichtung umfassen. Vorteilhaft lässt sich somit eine weitere Betriebsart der Vorrichtung nutzen, die zum Beispiel der Einstellung der Trainingsparameter bei einer Person dienen kann oder dem behandelnden Arzt die Diagnose erleichtert, sowie die Präzision der Bestimmung der Information über den Muskelzustand noch weiter erhöhen kann. In manchen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, um die Ergebnisse des Diagnosemanövers und/oder eine Information über den Muskelzustand und/oder Parameter einer Atmungsleistung, optional jeweils bezogen auf Zielvorgaben für die Person, in einer von einem Menschen wahrnehmbaren Form auszugeben und/oder Parameter des Trainingsmodus auszugeben. Vorteilhaft kann so ein Soll/Ist-Vergleich durch die trainierende Person, den T rainer, den Patienten oder den behandelnden Arzt durchgeführt werden, wobei der Soll/ist Vergleich in Bezug auf einen Trainingsplan ermittelt werden kann.
Ausführungsbeispiele schaffen weiter eine Atemvorrichtung zur Beatmung einer Person umfassend eine Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung der Person gemäß der Erfindung und/oder nach einem der vorherigen Ausführungsbeispiele, wobei die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet ist, um die Atmungsbeeinflussungseinrichtung in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand zu einem ersten Zeitpunkt in einem Normalmodus mit einer ersten T rainingsintensität und zu einem zweiten Zeitpunkt in einem Trainingsmodus mit einer zweiten Trainingsintensität zu betreiben. Ferner ist die Kontrollein richtung ausgebildet, um den Trainingsmodus und die zweite Trainingsintensität während des Normalmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand für zukünftige zweite Zeitpunkte anzupassen. Vorteilhaft kann dieselbe Vorrichtung somit alternativ zur Beatmung von Patienten und zum Training genutzt werden, was zumindest Apparatekosten spart, da viele Komponenten, zum Beispiel die EMG-Sensoren, Mundstücke etc. gemeinsam genutzt werden können. Weiterhin lässt sich mit derselben Vorrichtung für denselben Patienten wahlweise eine unterstützende Beatmung und ein Atemmuskeltraining durchführen, bevorzugt ohne den Patienten zwischendurch von der Vorrichtung trennen zu müssen.
In einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung ferner ausgebildet sein, um den T rainingsmodus als eine zeitlich begrenzte Veränderung einer Atmungsunterstützung der Person zum Training der Atemmuskulatur der Person auszuführen. Vorteilhaft kann so ein Trainingsmodus zum Wiederaufbau der Atemmuskulatur in die Beatmungsphasen eingefügt werden, da sich die Atemmuskulatur bei Beatmung des Patienten bereits nach kurzer Zeit zurückbildet und ein Atmen ohne die Vorrichtung gegebenenfalls nicht mehr ausreichend möglich ist.
Ausführungsbeispiele schaffen weiter ein Verfahren zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person, umfassend ein Erfassen eines elektromyographischen Signals der Person; ein Erzeugen einer Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person basierend auf dem elektromyographischen Signal; ein Betrieb einer Atmungsbeeinflussungseinrichtung in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus. Vorteilhaft kann so der Trainingsmodus unter Berücksichtigung des Muskelzustandes geplant und auch während der Durchführung korrigiert werden.
Ausführungsbeispiele schaffen darüber hinaus ein Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens des vorherigen Ausführungsbeispiels, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird. Vorteilhaft kann so der Trainingsmodus unter Berücksichtigung des Muskelzustandes geplant und auch während der Durchführung korrigiert werden. Das Programm mit dem Programmcode ist wie folgt ausgestaltet: Dann, wenn der Programmcode auf einem programmierten oder programmierbaren Gerät ausgeführt wird, werden folgende Schritte bewirkt:
- Ein elektromyographisches Signal von der Person wird erfasst.
- Mindestens eine Information über einen Muskelzustand eine Atemmuskulatur wird erzeugt, und zwar basierend auf dem elektromyographischen Signal. - Eine Atmungsbeeinflussungseinrichtung wird automatisch gesteuert, und zwar abhängig von der erzeugten Information über den Muskelzustand und in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Programm mit einem Programmcode. Wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird, bewirkt das Programm mindestens die folgende Schritte: Erfassen eines elektromyographischen Signals einer Person; Erzeugen einer Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person basierend auf dem elektromyographischen Signal; und Steuerung einer Atmungsbeeinflussungseinrichtung in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele, auf welchen Ausführungsbeispiele generell jedoch nicht insgesamt beschränkt sind, näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer vereinfachten Vorrichtung zur
Atemmuskelbeeinflussung einer Person;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mit einer Person verbundene Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung eines Patienten;
Fig. 3 zeigt ein Prinzip-Schaubild zur Bestimmung eines akzeptablen
Intensitätsbereiches für verschiedene Parameter inklusive einer Präferenzgewichtung;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer vereinfachten Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person mit Ein- und Ausgabeeinrichtung;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer verfeinerten Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person;
Fig. 6 ein verfeinertes Blockschaltbild des Zusammenspiels der Module der Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung während einer Trainings-Session;
Fig. 7 ein Verfahren zur Atemmuskelbeeinflussung; Fig. 8 ein Atemarbeits-Diagramm;
Fig. 9A eine Anzeige mit Bildschirmdarstellungen von Ergebnissen von Trainingssitzungen;
Fig. 9B eine Anzeige von Details einer Trainingssitzung; und
Fig. 10 ein verfeinertes Blockdiagramm einer Muskelzustandsüberwachungseinheit. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die lediglich einige exemplarische Ausführungsbeispiele zeigen, können gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten bezeichnen. Ferner können zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet werden, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt. Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsbeispiele in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungs-beispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass Ausführungsbei-spiele vielmehr sämtliche funktionale und/oder strukturelle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen.
Man beachte, dass ein Element, das als mit einem anderen Element„verbunden“ oder „verkoppelt“ bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als„direkt verbunden“ oder„direkt verkoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Begriffe, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (zum Beispiel,„zwischen“ gegenüber„direkt dazwischen“,„angrenzend“ gegenüber„direkt angrenzend“ usw.).
Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll die Ausführungsbeispiele nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen„ einer,”„eine”,„eines” und„der, die, das“ auch die Pluralformen beinhalten, solange der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt, also insbesondere als„mindestens ein“ zu lesen sein. Ferner sei klargestellt, dass die Ausdrücke wie zum Beispiel „beinhaltet“, „beinhaltend“, „aufweist“, „umfasst“, „umfassend“ und/oder„aufweisend“, wie hierin verwendet, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder auch einer oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen. Die Formulierung A und/oder B umfasst nur A, nur B sowie A und B, falls nicht etwas anderes angegeben ist. Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst. Ferner sei klargestellt, dass Ausdrücke, zum Beispiel diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, als hätten sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der einschlägigen Technik konsistent sind, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn zu interpretieren sind, solange dies hierin nicht ausdrücklich definiert ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele für EMG-basierendes Atemmuskeltraining beschrieben.
Fig. 1 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur
Atemmuskelbeeinflussung einer Person 20, mit einer Erfassungseinrichtung 12 zur Erfassung eines elektromyographischen Signals der Person; einer Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14; und einer Kontrolleinrichtung 16 zur Kontrolle der Erfassungseinrichtung 12 und der Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14. Die Kontrolleinrichtung 16 ist ausgebildet, um basierend auf dem elektromyographischen Signal eine Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person zu bestimmen. Die Kontrolleinrichtung 16 ist ferner ausgebildet, um die Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus mit einer Trainingsintensität zu betreiben.
Die Erfassungseinrichtung 12 kann beispielsweise ein oder mehrere Sensoren, Sensorelemente, Elektroden oder Elektrodenpaare, wie z.B. Nadeln, Feindraht, Elektroden, Oberflächenelektroden, Drucksensoren, Volumensensoren, Durchflusssensoren, Gaskonzentrationssensoren, umfassen, die entsprechende Sensorsignale oder Information liefern. In manchen Ausführungsbeispielen können die jeweiligen Sensoren gegebenenfalls mit entsprechender Auswerteelektronik gekoppelt sein und entsprechend aufbereitete Signale, zum Beispiel verstärkte und/oder gefilterte und/oder geglättete Signale, bereitstellen.
Weiter kann die Erfassungseinrichtung in Ausführungsbeispielen einen Verstärker mit Analog /Digital-Wandler umfassen. Ergänzend kann in Ausführungsbeispielen eine Vorverarbeitung der EMG-Signale stattfinden. Diese vor Verarbeitung kann eine Grundlinienfilterung (baseline filter) zur Offset-Entfernung, eine Entfernung von EKG- Artefakten und/oder eine Entfernung von Stromversorgungs-Artefakten (insbesondere 50/60Hz) (powerline artefacts) umfassen.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner die Atembeeinflussungseinrichtung 14. Die Atembeeinflussungseinrichtung 14 kann beispielsweise eine Erschwernis der Atmung bewirken, die durch verengte Querschnitte oder gesteuerte Klappen oder dergleichen bewirkt wird. Der Grad der Erschwernis ist einstellbar von leichter bis zu maximaler Erschwernis der Atmung, in einer Ausgestaltung automatisch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 einstellbar. Des Weiteren kann die
Atembeeinflussungseinrichtung 14 Mehrere Sensoren umfassen, die das Maß der Atemerschwernis erfassen und in Signale umwandeln. Darüber hinaus kann die Atembeeinflussungseinrichtung 14 auch pneumatische Parameter erfassen, etwa die Menge und die Geschwindigkeit der ein- beziehungsweise ausgeatmeten Atemluft der trainieren dem Person oder des Patienten. Die Atembeeinflussungseinrichtung 14 umfasst beispielsweise zumindest eine der Komponenten eines Inspirations- und eines Exspirationsteils. Der Inspirationsteil stellt dem Patienten 20 das Gasgemisch oder die Umgebungsluft zur Einatmung zur Verfügung. Das Inspirationsteil weist optional zwei Gasanschlüsse (für Sauerstoff und Druckluft) auf, die an eine lokale Gasversorgungseinheit angeschlossen sein können. Alternativ können die Gasanschlüsse auch an eine zentrale Gasversorgung angeschlossen werden. In der nachfolgenden Gasmischeinheit kann ein Luft-Sauerstoff- Gemisch mit einem bestimmten Sauerstoffanteil bereitgestellt werden. Das Gas wird durch das Inspirationsventil dem Patienten zur Verfügung gestellt. Dem Inspirationsventil ist eine Flowmessung (Durchflussmessung) vorweggeschaltet. Außerdem wird der Druck von der Erfassungseinrichtung beispielsweise mittels eines Drucksensors nach dem Ventil gemessen. Das Exspirationsteil ermöglicht dem Patienten auszuatmen und gibt die ausgeatmete Luft beispielsweise an die Umgebung aus. Das Exspirationsteil stellt sicher, dass ein minimaler Druck (PEEP) in der Lunge stets aufrecht erhalten bleibt
Wie die Fig. 1 weiter zeigt, umfasst die Vorrichtung 10 darüber hinaus eine datenverarbeitende Kontrolleinrichtung 16, die mit der Erfassungseinrichtung 12 und der Atembeeinflussungseinrichtung 14 gekoppelt ist. Die Kontrolleinrichtung 16 empfängt und verarbeitet automatisch Signale von der Erfassungseinrichtung 12 und steuert automatisch die Atembeeinflussungseinrichtung 14 an.
Die Kontrolleinrichtung 16 kann einem beliebigen Controller oder Prozessor oder einer programmierbaren oder programmierten Hardwarekomponente entsprechen. Beispielsweise kann die Kontrolleinrichtung 16 auch als Software realisiert sein, die für eine geeignete Hardwarekomponente programmiert ist. Insofern kann die Kontrolleinrichtung 16 als programmierbare oder programmierte Hardware mit erfindungsgemäß angepasster Software implementiert sein. In einer Ausgestaltung lässt sich der Erfindung durch entsprechende Software auf einer bereits vorhandenen Hardwarekomponente realisieren. Dabei können beliebige Prozessoren, insbesondere Digitale Signal-Prozessoren (DSPs), zum Einsatz kommen. Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf einem bestimmten Typ von Prozessoren eingeschränkt. Es sind beliebige Prozessoren oder auch mehrere Prozessoren zur Realisierung der Kontrolleinrichtung 16 denkbar.
Der Trainingsmodus für das Atemmuskeltraining kommt in einer Trainings-Session zur Anwendung. Jede der Trainings-Sessions umfasst eine anfängliche Analysephase und eine darauf folgende Trainingsphase. Der Trainingsmodus hat die Stärkung der Atemmuskulatur zur Aufgabe, was in vielfältiger Weise erreicht werden kann. Weiter kann die Kontrolleinrichtung 16 in Ausführungsbeispielen auch eine (in Fig. 1 nicht gezeigte) Planungseinheit 172 umfassen. Diese plant automatisch die nächste Trainings-Session. Sollte die Planungseinheit 30 dem Training entgegenstehende Informationen zum Muskelzustand erhalten, kann die folgende Trainingsphase auch automatisch aufgeschoben werden oder sogar ganz entfallen. Bei wiederkehrenden Trainings-Sessions können anstelle einer weiteren Analysephase auch die Daten der vorhergehenden Trainingsphase herangezogen werden.
Während der Trainings-Session/dem Trainings-Modus wird die von der Planungseinheit 172 bestimmte Trainingsaufgabe durchgeführt. Eine in Fig. 1 nicht gezeigte
Muskelzustandsüberwachungseinheit 174 der Kontrolleinrichtung 16 hat dabei die Aufgabe, permanent den Zustand des Patienten und insbesondere der Muskeln zu überwachen und Empfehlungen für die Adaption von Trainings-Modus, -Intensität und - Dauer zu geben.
Als Muskelzustände können insbesondere folgende Aspekte berücksichtigt werden: Fatigue, neuromuskuläre Effizienz, Muskelregeneration [zum Beispiel quantifiziert durch DOMS (Delayed Onset Muscle Sornes)], elektromuskulärer Delay, Atrophie-Risiko, Änderung/Abweichung in der Muskelgruppenaufteilung, eine exspiratorischen Aktivität, eine inspiratorischen Aktivität, eine antizyklischen Aktivität, schädliche
Druckverhältnisse in der Lunge, anhaltende Krämpfe, Husten oder Schluckauf, Muskelfatigue oberhalb einer als nicht tolerabel angesehenen und bevorzugt vorgegebenen Schwelle, neuromechanischer Wirkungsgrad und Maximalkraft sowie detektierte pathologische Zuständen, die den Muskel schädigen.
Schädliche Druckverhältnisse in der Lunge bewirken, dass der Lungendruck einen vorgegebenen Bereich verlässt, was automatisch detektiert wird. Dieser vorgegebenen Bereich kann abhängig von den Lungenverhältnissen des Patienten ausgebildet sein und somit verschiedene Werte annehmen und automatisch festgelegt werden, während der Patient mit der Vorrichtung 10 verbunden ist. Schädliche Druckverhältnisse können in Ausführungsbeispielen auf einer Fatiguegrenze des Patienten beruhen, die wiederum auf der höchstens vom Patienten selber zu leistenden Atemarbeit (WOB: work of breathing) des Patienten oder der Person basieren kann, wie im Zusammenhang mit Fig. 8 noch näher erläutert wird.
Elektromyographische Signale werden durch Sensorelemente erfasst, die an der Person oder dem Patienten angeordnet werden. Diese Sensorelemente übermitteln ihre Daten an die Vorrichtung 10, wobei die Datenübermittlung per Leitungsverbindung, Funkverbindung, optische Verbindung oder Infrarotverbindung etc. erfolgen kann oder auch eine Mischung der genannten Übertragungsverfahren umfassen kann. Dargestellt ist eine Leitungsverbindung.
Das elektromyographische Signal, oder auch die elektromyographische Ableitung, kann invasiv (insbesondere durch einen Sensor in der Luftröhre) oder nicht-invasiv (insbesondere durch Elektroden auf der Haut) ermittelt werden. Dabei kann beispielsweise die EMG-Aktivität eines oder mehrerer Atemmuskeln oder Atemhilfsmuskeln, zum Beispiel des Zwerchfells, der Zwischenrippenmuskulatur (lat. musculus intercostalis) und/oder der Atemhilfsmuskulatur abgenommen oder erfasst werden. Die Erfassungseinrichtung 12 kann eines der oben genannten Sensorelemente umfassen, wobei das Sensorelement zur invasiven oder nicht-invasiven, also oberflächlichen, Erfassung des elektromyographischen Signals an der äußeren Hautoberfläche oder mittels der äußeren Hautoberfläche des Patienten 20 ausgebildet ist. Beispielsweise können an der Hautoberfläche der Person oder des Patienten Oberflächenelektroden oder Elektrodenpaare angebracht werden, um das elektromyographische Signal zu erfassen. Das Signal kann dann basierend auf Messwerten von mindestens einem Sensor ermittelt werden, wobei der oder jeder verwendete Sensor an der äußeren Hautoberfläche, d.h. außen an der Person oder am Patienten, außerhalb der Körperöffnungen wie Mund, Nase, Ohren, Rektum, ohne Intubieren, angeordnet ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist oder umfasst das elektromyographische Signal ein differentielles oberflächenerfasstes Signal, das eine Information über eine respiratorische Aktivität zumindest eines Atemmuskels des Patienten umfasst. Bei trainierenden Personen wird die nicht-invasive Kopplung bevorzugt.
Fig. 2 illustriert die Vorrichtung 10 zur Atemmuskelbeeinflussung in einem Ausführungsbeispiel als Atemmuskeltrainingsgerät 22 zum Handgebrauch. Die Vorrichtung 10 kann als mobiles Atemmuskeltrainingsgerät 22 ausgebildet sein. Des Weiteren zeigt Fig. 2 die Kopplung zwischen der Person oder dem Patienten und der Vorrichtung 10. Diese Kopplung umfasst eine pneumatische Kopplung, durch welche der Atem der Person oder des Patienten durch die Vorrichtung geleitet wird. Dies kann sowohl die exspiratorische als auch die inspiratorische Atmungsaktivität umfassen. Die Atembeeinflussungseinrichtung 14 wird an eine Person 20 oder einen Patienten 20 mittels pneumatischen Strukturen, wie Schläuchen, Masken, Ventilen, Verzweigungen, (Endotracheal-)Tubus, usw. angekoppelt. Als mobiles Atemmuskeltrainingsgerät kann in Ausführungsbeispielen ein tragbares Gerät verstanden werden, das unabhängig von stationär verfügbaren Elementen wie Strom, Pressluft, Sauerstoff oder Kopplungselementen zu anderen Maschinen einsetzbar ist und in einer Ausgestaltung eine eigene Stromversorgungseinheit umfasst. Es hat typischerweise einen Handgriff oder eine entsprechende Gehäuseausprägung, mit dessen Hilfe es bei der Nutzung und gegebenenfalls auch beim Transport gehalten werden kann. Auch sein Gewicht macht das Gerät gut tragbar und übersteigt fünf Kilogramm nicht. Es ist mit Aus-/Eingabeeinrichtungen ausgestattet, die die Bedienung der Vorrichtung und das Auslesen diverser Parameter erlauben.
Die (nicht gezeigte) Energieversorgung des mobilen Atemmuskeltrainingsgeräts 22 wird durch herkömmliche mobile Energiequellen sichergestellt, zum Beispiel durch wieder aufladbare und/oder wechselbare Akkumulatoren. Weiter hat das mobile Atemmuskeltrainingsgerät 22 eine (nicht gezeigte) Ein-/Ausgabeeinrichtung zu seiner Bedienung und zur Ausgabe von Informationen. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen ein Speicher zur Speicherung von Parametern und/oder früheren Trainingsergebnissen vorhanden sein. In weiteren nicht in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Trainingsmodus als eine automatisch und gezielt herbeigeführte zeitlich begrenzte Erschwernis der Atmung der Person oder des Patienten 20 zum Training der Atemmuskulatur ausgeführt. Entsprechend können in Ausführungsbeispielen neben Parametern der Erschwernis der Atmung auch Parameter für die Dauer und den Verlauf des Trainings vorgegeben werden. Diese Trainingsverläufe sind in der Vorrichtung 10 auch speicherbar, anzeigbar und/oder veränderbar. Generell kann der Trainingsmodus als Abweichung vom Normalmodus der Vorrichtung zur Atembeeinflussung verstanden werden, bei dem eine angemessene Atemunterstützung des Patienten oder der Person stattfindet. Während des Trainingsmodus verändert die Vorrichtung zur Atemmuskelerfassung vorübergehend die Beatmungsparameter unter besonderer Überwachung von Patientenparametern, die gegebenenfalls eine Überlastung des Patienten anzeigen können. Eine festgestellte Überlastung des Patienten oder der Person kann zur Veränderung des Trainingsmodus führen, die seinen Abbruch, seine Unterbrechung, und/oder seine Parametrierung beeinflussen können.
Die Erschwernis des Atmens wird durch pneumatische Strukturen erreicht, die durch verengte Querschnitte oder gesteuerte Klappen, luftdurchlässige Membranen oder dergleichen in Atemröhren bewirkt wird, die die Person oder der Patient in den Mund nimmt oder die mit entsprechenden Mundstücken verbunden sind. Der Grad der Erschwernis ist einstellbar von leichter bis zu maximaler Erschwernis der Atmung. Zusätzlich ist die Erschwernis von der Atemgeschwindigkeit abhängig. So wird bei vorgegebenem Querschnitt der pneumatischen Einrichtung bei hoher Luftgeschwindigkeit des Atems eine höhere Erschwernis auftreten als bei niedrigerer Luftgeschwindigkeit des Atems. Entsprechend können Sensoren in der pneumatischen Einrichtung die Luftgeschwindigkeit des Atems feststellen. Das Gerät 22 berücksichtigt diese beim Einstellen der mechanischen Elemente zur Atemerschwernis.
Als Atemerschwernis kann auch als eine Verminderung der Atemunterstützung verstanden werden, die in Ausführungsbeispielen automatisch durch ein Beatmungsgerät zur Verfügung gestellt werden kann. Diese Verminderung kann in Ausführungsbeispielen zu einer Restatemunterstützung führen, die aber bereits als Training für den Patienten wirkt. Entsprechend ist in Ausführungsbeispielen eine Atemerschwernis nicht auf eine Erschwernis der Atmung verglichen mit einer freien Atmung ohne Beatmungsgerät beschränkt. Statt dessen kann das Training darüber hinaus als freie Atmung, also als Atmung ohne Beatmungsgerät oder auch als reduzierte Atembelastung ausgeführt sein, die ausgehend von einer geringen Atemunterstützung durch ein Beatmungsgerät im Training nunmehr eine geringe Erschwernis umfasst, wobei die Erschwernis sich aus dem Entfall der Unterstützung und der tatsächlichen Atemerschwernis ergibt.
In Ausführungsbeispielen kann der Trainingsmodus in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand eine Atembeeinflussung der Person oder des Patienten 20 durch die Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 adaptiv angepasst werden. Alternativ können in Ausführungsbeispielen auch die Druckverhältnisse in der Lunge, insbesondere die „Driving Pressure“, bestimmt aus EMG und Pneumatik, zur Adaption berücksichtigt werden. Diese Anpassung findet während des Trainings statt, und zwar per Online- Analyse und/oder im Anschluss an das Training per Offline-Analyse.
Die folgenden Schritte werden im Verlaufe der Online-Analyse atemzugsweise durchgeführt. Die Intensität kann optional atemzugsweise optimiert und angepasst werden. Ausnahmen bilden die Erkennung von Abbruchkriterien und der Durchführung des resultierenden Abbruchs, welche jederzeit auch innerhalb eines Atemzugs erfolgen können. Schritt 1 : Empfehlungen basierend auf einzelnen Beobachtungen
Im ersten Schritt der Online-Analyse wird entsprechend des Resultats jedes der EMG- basierenden Zustandssignale jeweils automatisch eine Empfehlung für den weiteren Trainingsverlauf generiert, der in diesem Schritt noch unabhängig von den übrigen Zustandssignalen ist.
Im Rahmen der Bewertung wird für jedes Zustandssignal automatisch überprüft, ob die Muskeln in einen Zustand kommen, in dem ein weiteres Training nicht sinnvoll ist - in einem solchen Fall würde ein Abbruch-Flag generiert werden.
Kriterien für einen Abbruch sind beispielsweise:
o eine sehr starke Änderung/Abweichung in der Muskelgruppenaufteilung. Ein möglicher Fall wäre zum Beispiel, wenn der Anteil der durch das Zwerchfell aufgebrachten Muskelarbeit unter einen geringen Prozentsatz in Bezug auf die Gesamtmuskelarbeit fällt;
o sehr starke exspiratorische Aktivität;
o sehr starke antizyklische Aktivität;
o schädliche Druckverhältnisse in der Lunge, die beispielsweise mittels einer EMG- basierenden Schätzung der Druckverhältnisse im Atemsystem zu detektieren sind. o anhaltende Krämpfe oder Husten oder Schluckauf;
o Muskelfatigue über einer als nicht tolerabel angesehenen Schwelle;
o Detektion von pathologischen Zuständen, die den Muskel schädigen können.
Bei Zuständen, die voraussichtlich nur kurzfristig anhalten, zum Beispiel vereinzelte Krämpfe oder Husten oder kurzfristig auftretende antizyklische Aktivität, ist es auch möglich, anstelle des Abbruch-Flags mit einem Pause-Flug bei eine kleine Pause von einigen Minuten zu empfehlen, bevor das Training erneut gestartet wird.
Neben der Detektion von Situationen, die einen Trainingsabbruch oder eine Trainingspause nahelegen, ist die Hauptaufgabe der Bewertungseinheiten, aus jedem Zustandssignal automatisch eine zu empfehlende Trainingsintensität abzuleiten. Um die automatische Konsensfindung aus den verschiedenen Zustandssignalen zu ermöglichen, wird dabei nicht nur eine konkrete, bevorzugte Trainings-intensität bestimmt, sondern ein akzeptabler Intensitätsbereich ausgegeben, welcher entsprechend der Übereinstimmung mit den Anforderungen des jeweiligen Zustands gewichtet sein kann. Unbedingt zu vermeidende Intensitäts- Bereiche können dabei mit einer Gewichtung von Null fest ausgeschlossen werden. So könnte beispielsweise das Resultat der Fatigue-Analyse sein, dass der Muskel aktuell nicht erschöpft ist, also sowohl eine Erhöhung als auch eine Senkung der Trainingsintensität prinzipiell akzeptabel ist. Gleichzeitig könnte die Analyse der relativen Aktivierung von Zwerchfell und Intercostalmuskulatur ergeben, dass das Verhältnis der beiden zueinander aktuell nicht optimal ist, aber auch noch nicht kritisch. Zu bevorzugen wäre also eine leichte Reduktion der Intensität; eine leichte Steigerung wäre ebenfalls akzeptabel, aber eher nicht wünschenswert. Die Gewichtung ist auf verschiedene Weisen realisierbar, beispielsweise mittels Repräsentation als unscharfe Mengen (fuzzy sets) und oder Anwendung von fuzzy logic oder fuzzy control.
Bei der Bestimmung der Intensitäts-Empfehlungen kann insbesondere auch der vorherige Trainingsverlauf berücksichtigt werden, um mittels Vergleich mit vergangenen Trainingsverläufen abzuschätzen, welche Auswirkung eine Intensitätsänderung einer bestimmten Größe auf die verschiedenen Muskelzustandsparameter haben könnte.
Schritt 2: Gewichtung der auf den einzelnen Beobachtungen basierenden Empfehlungen Im zweiten Schritt der Online-Analyse werden die Empfehlungen der verschiedenen Beobachtungseinheiten automatisch relativ zueinander gewichtet, um den Einfluss der verschiedenen Beobachtungen auf die finale Intensitäts-Empfehlung zu steuern. So könnte beispielsweise der Krampf-Detektion ein größerer Einfluss auf die finale Empfehlung eingeräumt werden als der Fatigue-Erkennung. Fehlende Zustandsinformationen können im Rahmen der Gewichtung unberücksichtigt bleiben (Gewichtung: Null). In Ausführungsbeispielen kann ein Benutzer in Fig. 9B-1 (Teil D, Trainingsdetails) sowohl den akzeptablen Wertebereich als auch die Gewichtung über die grafische Benutzeroberfläche beeinflussen und somit die Trainingsbewertung parametrieren.
Die Gewichtungen der einzelnen Beobachtungen können dabei abhängig von allen übrigen Beobachtungen sein - so ist beispielsweise die Berücksichtigung der EMG- Magnituden beim Auftreten von Krämpfen oder Husten nicht sinnvoll; die Gewichtung der Magnituden-Beobachtung sollte darum in diesem Fall reduziert werden. Weiterhin kann beispielsweise ein verwendeter Fatigue-Index ungenaue Informationen beim Auftreten von Muskel-Umrekrutierungen liefern und sollte darum in diesem Fall weniger stark gewichtet werden.
Ein möglicher Spezialfall des oben genannten allgemeinen Verfahrens ist, alle Gewichtungen bis auf eine Gewichtung auf null zu setzen, um die Trainings-Steuerung lediglich anhand einer einzelnen Größe zu realisieren. Damit sind beispielsweise Verfahren realisierbar, bei denen die Trainings-Intensität automatisch so adaptiert (geregelt) wird, dass die Person/der Patient eine fest vorgegebene EMG-Amplitude oder eine fest vorgegebene Atemarbeit aufbringen muss.
Schritt 3: Kombination aller Informationen zu einer finalen Intensitätsempfehlung Im dritten Schritt wird anhand der auf den einzelnen Beobachtungen basierenden, gewichteten Intensität-Empfehlungen eine finale Empfehlung zur Änderung der Trainingsintensität vorgenommen. Zu diesem Zweck wird ein Optimierungsproblem gelöst, wobei die Trainingsintensität so gewählt werden soll, dass sie in möglichst vielen der isolierten Empfehlungen ein möglichst großes Gewichtung hat (also möglichst gut der Einzelempfehlung folgt), unter der Nebenbedingung, dass sie in jeder der isolierten Empfehlungen mindestens akzeptabel sein muss. Zusätzlich kann berücksichtigt werden, dass a) größere Trainingsintensitäten zu bevorzugen sind (um den Trainings- Reiz zu maximieren), und b) Abweichungen von der bestehenden Trainingsintensität prinzipiell zu vermeiden sind, um möglichst konstante Trainings-Sessions zu ermöglichen und die Person/den Patienten nicht zu verwirren. Auf der anderen Seite kann es auch wünschenswert sein, vereinzelte Intensitätsänderungen zu bevorzugen, um a) ein variableres Training zu ermöglichen, und b) den Effekt solcher Intensitätsänderungen auf den Muskelzustand untersuchen zu können.
Bei der Lösung des Optimierungsproblems für die Online-Analyse kann es sinnvoll sein, Abweichungen von der bestehenden Trainingsintensität möglichst zu verhindern, um möglichst konstante Trainings-Sessions zu ermöglichen. Es bietet sich an, diese Empfehlung jeweils atemzugsweise durchzuführen.
Fig. 3 visualisiert die Bestimmung eines akzeptablen Intensitätsbereichs für jede individuelle Beobachtung, inklusive Präferenz-Gewichtung. Als individuelle Beobachtungen zeigt das Zustandssignal 1 eine Fatigue oder auch Muskel-Fatigue, die eingangs näher erläutert ist. Das Zustandssignal 2 zeigt einen Krampf- Parameter, also ein Maß der Verkrampfung der Atemmuskulatur. Das Zustandssignal 3 zeigt ein Maß der exspiratorischen Aktivität, also ein Maß für die Ausatmung der Person oder des Patienten. Jedes Zustandssignal hat einen akzeptablen Intensitätsbereich, sodass jeder Zustand im Trainingsmodus zu einem gewissen Maß tolerierbar ist. Dieser akzeptable Intensitätsbereich ist als Fläche entlang der Trainingsintensität dargestellt. Weiter umfasst die Darstellung eine Präferenzgewichtung des jeweiligen Zustandssignals, sodass wichtigere Zustände stärker gewichtet sein können, während unwichtige Zustände schwächer gewichtet sein können. Diese gewichteten Zustände werden nunmehr verknüpft, um zu einer resultierenden, finalen Intensitätsempfehlung unter Berücksichtigung aller Indikatoren oder Zustände zu gelangen. Diese ist als strichlierte Linie zur Markierung der resultierenden Trainingsintensität eingetragen.
In weiteren, nicht in Fig. 3 gezeigten, Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um den Trainingsmodus hinsichtlich einer Trainingsdauer zu beeinflussen. Die Ermittlung der Trainingsintensität ist im Rahmen der oben erläuterten Online-Analyse ausführliche beschrieben. Darüber hinaus kann die Online-Analyse auch die Dauer des Trainings festlegen, die insbesondere mit der Trainingsintensität korreliert. Entsprechend kann bei trainierten Atemmuskeln eine längere Trainingsdauer als bei schwachen Atemmuskeln eingestellt werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um den Trainingsmodus in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand abzubrechen und/oder zu unterbrechen. Parallel zur Berechnung der Intensitätsänderungsempfehlung zum nächsten Atemzug kann es eine Einheit geben, die einen Abbruch der gerade laufenden Trainings-Session fordern kann. Es bietet sich an, dass diese Einheit (quasi-)kontinuierlich aktiv ist und somit auch einen Abbruch während eines Atemhubes signalisieren kann. Die Abbruchsinformationen können aus einzelnen Bewertungseinheiten signalisiert werden und sind dabei ODER-verknüpft. Die einzelnen Bewertungseinheiten können den Zustandssignalen der Fig. 3 entsprechen und Fatigue, Krampf und Exspiration umfassen, sind jedoch nicht auf diese Parameter beschränkt. Es reicht dabei aus, dass das Signal aus einer der Bewertungseinheiten kommt. Bei der Unterbrechung kann die Dauer der Unterbrechung von der Stärke des jeweiligen Zustandssignals abhängen. Alternativ kann sie auch als konstanter Parameter vorgegeben sein.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Abbrechen oder das Unterbrechen des T rainingsmodus in Abhängigkeit von einem Signal durchgeführt werden, das Information über zumindest ein Element der Gruppe von einer Änderung/Abweichung in der Muskelgruppenaufteilung, einer exspiratorischen Aktivität, einer inspiratorischen Aktivität, einer antizyklischen Aktivität, schädlichen Druckverhältnissen in der Lunge, anhaltenden Krämpfe, Husten oder Schluckauf, Muskelfatigue über einer als nicht tolerabel angesehenen Schwelle und Detektion von pathologischen Zuständen, die eine Person schädigen können, anzeigt. Dabei können für die Muskelgruppenaufteilung die Intercostalmuskulatur, die Zwerchfellmuskulatur, weiterer Atemhilfsmuskulatur sowie der Antagonisten (zum Beispiel Bauchmuskulatur, gerader Bauchmuskel (rectus abdominis).) berücksichtigt werden.
Die Unterbrechung kann optional mit einer Festsetzung eines Zeitpunktes für das nächste Training gekoppelt sein. Dabei können die oben genannten Parameter berücksichtigt werden. Entsprechend kann am Ende eines Trainings basierend auf den Auswertungen eine Prognose für die zu erwartende notwendige Erholungszeit erstellt werden und das nächste Training angesetzt werden. Darüber hinaus kann optional auch während des Normalbetriebes aufgrund der EMG-Daten geprüft werden, ob die Erholung des Muskels soweit fortgeschritten ist, dass ein weiteres Training sinnvoll erscheint. Somit lässt sich - unter Berücksichtigung des aktuellen Patientenzustandes - der angesetzte Trainingszeitpunkt noch einmal korrigieren.
In Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um Parameter des Trainingsmodus und/oder Parameter einer Atmungsleistung der Person oder des Patienten 20 während der Dauer des Trainingsmodus oder im Anschluss an den Trainingsmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 auszugeben. Diese Ausgabe kann auch als Ein-/Ausgabeeinrichtung ausgeführt sein und dient insbesondere der Person / dem Patienten zur Rückmeldung seiner Leistungen. Darüber hinaus kann die Ausgabeeinrichtung für einen Trainer oder behandelnden Arzt ausgebildet sein, was eine separate Ein-/Ausgabeeinheit umfassen kann. Darüber hinaus kann die Ein-/Ausgabeeinheit auch eine Maschinenschnittstelle umfassen, zum Beispiel in Form eines Steckers oder einer drahtlosen Schnittstelle oder eines Software- Interfaces.
Die Dauer des T rainingsmodus kann sich aus einer zeitlichen Vorgabe ergeben oder sie kann ereignisgesteuert sein. In Ausführungsbeispielen kann die Dauer des Trainingsmodus auch durch eine Kombination der zeitlichen Vorgabe und eines Ereignisses gegeben sein. So kann zum Beispiel höchstens für die vorgegebene Dauer auf ein Eintreffen des Ereignisses gewartet werden. Tritt das Ereignis nicht vor Ablauf der vorgegebenen Dauer ein, wird nach Ablauf der Dauer der T rainingsmodus beendet. Ereignisse können in Abhängigkeit des Muskelzustandes des Patienten oder der Person eintreten. So ist es auf Basis der EMG-basierenden Informationen über den aktuellen Muskelzustand sowie die aufgebrachte, neuronale Muskelaktivierung möglich, dem Patienten in Echtzeit individuelles Feedback über den Trainings-Verlauf zu geben. Folgende Informationen können umfasst sein: Wie nah ist er dem Erreichen des Trainings-Ziels? Hat die Stärke und/oder die neuromuskuläre Effizienz seiner Muskeln im Vergleich zu vorherigen Trainings-Sessions zu- oder abgenommen? Diese Rückmeldung kann beispielsweise visuell mittels eines Displays, akustisch, haptisch oder kombiniert erfolgen. Darüber hinaus kann die Person oder der Patient optional durch Manöver oder besondere Beatmungsartefakte des Beatmungsgerätes eine Rückmeldung über den Trainingsverlauf und/oder die Zielerreichung bekommen. Weiterhin soll der Patient in der Lage sein, auf Wunsch eigenständig über ein geeignetes Eingabe- oder Atemmuskeltrainingsgerät Trainings-Sessions initiieren zu können sowie die Dauer und Intensität des T rainings modifizieren zu können. Dies kann beispielsweise über ein übliches T ouch-Display erfolgen oder aber auch über speziellere Eingabegeräte wie einen Taster oder einen Druckball, der vom Patienten in einem bestimmten Rhythmus gedrückt werden kann, um eine Trainings-Session zu initiieren. Ebenfalls denkbar wäre, dass der Patient über einen bestimmten Atemrhythmus oder spezielle Atem-Manöver eine Trainings-Session initiieren kann.
Dabei können die Manöver als zusätzliche oder fehlende Beatmungsschübe ausgeführt sein, Sie können auch übliche Beatmungsschübe in signifikant höherer oder geringerer Luftmenge, auch Beatmungsamplitude genannt, umfassen. Sie können auch eine vorübergehende Unterbrechung der Beatmung umfassen sowie eine Änderung der Beatmungsfrequenz. Allgemein lassen sich die Manöver als Rückmeldungen für den Patienten auffassen, die in Ausführungsbeispielen auch im nicht-visuellen Bereich ausgeführt werden können. Dies können haptische oder taktile Rückmeldungen für den Patienten oder der trainierten Person sein.
Fig. 4 zeigt die um eine Ein-/Ausgabeeinrichtung 18 erweiterte Vorrichtung 10. Diese kann sowohl für eine maschinelle Kopplung mit anderen Einrichtungen ausgebildet sein als auch als eine oder mehrere Schnittstellen für die menschliche Interaktion, so genannte Man-Machine-Interfaces, umfassen.
In Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um die Ausgabe 18 optisch und/oder haptisch und/oder akustisch und bezogen auf eine Zielgröße für diese Person oder den Patienten 20 durchzuführen. Die Ausgabe kann dabei die oben genannten Parameter des Trainingsmodus und/oder Parameter einer Atmungsleistung der Person oder des Patienten 20 umfassen, die während der Dauer des Trainingsmodus oder im Anschluss an den Trainingsmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 ausgegeben werden. Als optische Ausgabe kommt ein gegebenenfalls interaktiver Bildschirm infrage, Signalisierungslampen oder dergleichen. Als haptische Ausgabe kann eine Vibrationseinrichtung, eine Temperatur oder eine Formänderung eines Handapparates, zum Beispiel eines Balles, für Patienten in Frage kommen. Akustische Ausgaben können in Form von Signalen oder auch als Sprachausgabe gestaltet sein. Weiter können auch akustisch-visuelle Ausgaben oder besondere Beatmungsartefakte des Handgerätes zum Einsatz kommen. Somit kann die Ausgabe in einer für Menschen wahrnehmbaren Form erfolgen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um den Betrieb des Trainingsmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 durch die Person oder den Patienten 20 initiierbar und/oder parametrierbar zu machen. Dieses kann insbesondere durch ein Bedienelement der Vorrichtung 10 erfolgen, wenn die Vorrichtung 10 als Trainingsgerät ausgebildet ist. Umfasst die Vorrichtung zusätzlich noch eine Beatmungseinrichtung, so kann auch ein separates Atemmuskeltrainingsgerät für den Patienten ausgebildet sein. Dieses Atemmuskeltrainingsgerät kann auch die oben genannte Ein-/Ausgabeeinrichtung umfassen, sodass dem Patienten eine Fernbedienung der Vorrichtung zur Verfügung steht. Diese Fernbedienung kann auf eine Teilfunktion der Vorrichtung 10 beschränkt sein, insbesondere auf solche Funktionen, die den Trainingsmodus initiierbar und/oder parametrierbar machen.
In zusätzlichen Ausführungsbeispielen kann Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet sein, um dem Patienten durch Manöver der Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) eine Rückmeldung über einen Trainingsverlauf und/oder eine Zielerreichung zukommen zu lassen. Diese Manöver können als spezifische Beatmungsschübe ausgebildet sein, wie in der Einleitung näher ausgeführt ist. Entsprechend können sie auch von Patienten erfasst werden, die in ihrer Wahrnehmung stark eingeschränkt sind. Somit lässt sich eine Motivation des Patienten und oder eine Rückmeldung an den Patienten selbst in solchen Fällen erreichen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um eine akzeptable Zielintensität einer Fatigue und/oder eines Krampfs und/oder einer exspiratorischen Aktivität zu ermitteln, wobei die akzeptable Zielintensität als zeitlich konstanter oder zeitlich veränderbarer Zielbereich oder Zielpunkt ausgebildet ist. Wie im Zusammenhang mit der Online-Analyse erläutert, können während des Trainingsmodus Zielbereiche zum Beispiel für Fatigue, Krampf oder Exspiration berücksichtigt werden. Hierbei sind zwei Spezialfälle der Online-Analyse möglich: a) die Wahl eines einzelnen Zielpunkts anstatt eines Zielbereichs (Impuls-Gewichtungsfunktion), um einen bestimmten Wert einer Beobachtung als Ziel zu erzwingen und b) die Wahl zeitveränderlicher Zielbereiche für die unterschiedlichen Beobachtungen, um beispielsweise die Zielvorgabe eines stetig steigenden Fatigue-Indexes zu realisieren. In zusätzlichen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit von Signalen, die Informationen über das Zwerchfell und/oder die Intercostalmuskulatur und /oder Antagonisten umfassen, zu ermitteln. Dabei kann als Antagonist insbesondere die Bauchmuskulatur, der gerade Bauchmuskel (rectus abdominis), berücksichtigt werden.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit eines pneumatischen Signals zu ermitteln. Das pneumatische Signal kann als ein für den menschlichen Atemzyklus typisches Atemsignal des Patienten erfasst werden. Ausführungsbeispiele können so unter Umständen eine wenig komplexe oder möglichst natürliche Erfassung des pneumatischen Signals ermöglichen. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um das pneumatische Signal als Drucksignal oder als Volumenstromsignal an der Person oder dem Patienten zu erfassen. Ausführungsbeispiele können somit eine Verwendung von Beatmungsmasken mit Standardkomponenten, die als Sensoren ausgeführt sind, erlauben. Die Erfassungseinrichtung kann zumindest in manchen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein, um das pneumatische Signal als exspiratorisches und/oder inspiratorisches Atemsignal des Patienten zu erfassen. Je nach weiterem Signalverarbeitungskonzept können Ausführungsbeispiele somit eine Auswertung der exspiratorischen und/oder inspiratorischen Atemsignale des Patienten erlauben. Unter einem Atemsignal einer Person oder eines Patienten sei hier ein Signal verstanden, das Information über den Atem, wie Druck, Volumen oder Konzentrationen, beispielsweise Sauerstoff 02, Kohlendioxid, C02, Wasser H20, usw. umfasst. In Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um bei der Ermittlung der Information über den Muskelzustand für zumindest einige Signale eine Bewertung, Gewichtung und Zusammenfassung durchzuführen; und um den Trainingsmodus in Abhängigkeit der zusammengefassten Signale zu ermitteln. Dabei kann die Gewichtung
mittels Repräsentation als unscharfe Mengen (fuzzy sets) und/oder durch Anwendung von fuzzy logic oder fuzzy control durchgeführt werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ausgebildet sein, um ein Diagnosemanöver über den Muskelzustand der Person oder des Patienten 20 durch gezielte Belastung durchzuführen. Für die Diagnose können insbesondere zur Anwendung kommen:
a) Die Wahl eines einzelnen Zielpunkts anstatt eines Zielbereichs (Impuls- Gewichtungsfunktion), um einen bestimmten Wert einer Beobachtung als Ziel zu erzwingen.
b) Die Bewertung und isolierte Betrachtung einer Untergruppe oder einzelner Parameter, die zumindest eine der exspiratorischen Aktivität, einer inspiratorischen Aktivität, einer antizyklischen Aktivität, schädlichen Druckverhältnissen in der Lunge, anhaltenden Krämpfe, Husten oder Schluckauf, Muskelfatigue, pathologischen Zuständen, berücksichtigen. Dabei können einzelne Muskelgruppen, sowie isoliert, zumindest eine der Intercostalmuskulatur, der Zwerchfellmuskulatur, weitere Atemhilfsmuskulatur sowie der Antagonisten umfasst sein. Dabei kann unter Diagnosemanöver ein Verfahren der Vorrichtung 10 verstanden werden, das die Feststellung oder Bestimmung einer körperlichen oder psychischen Krankheit durch den Arzt unterstützt. In Ausführungsbeispielen kann das Diagnosemaneuver auch während der normalen Atmung stattfinden. Weiter kann es in Ausführungsbeispielen auch durch„natürlich“ stattfinden Intensitätsänderungen des Patienten ausgelöst werden. Dazu zählen auch Intensitätsänderungen, die aus anderen therapeutischen Gründen als für ein Atemmuskeltraining durchgeführt wurden.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ferner ausgebildet sein, die Ergebnisse des Diagnosemanövers und/oder Parameter einer Atmungsleistung jeweils bezogen auf Zielvorgaben für die Person 20 auszugeben und/oder Parameter des Trainingsmodus und/oder in Ausführungsbeispielen die Information über den Muskelzustand auszugeben. Die Zielvorgaben können statisch oder dynamisch vorgegeben werden. Statische Zielvorgaben können Hinweise auf ein Entwöhnen des Patienten von der als Beatmungseinrichtung ausgeführten Vorrichtung sein (weaning index) oder die Mindestleistung der Atemmuskulatur zur Vermeidung seiner Rückbildung, auch antrophy index genannt. Weiter sind Fatigue, Krampf oder exspiratorische Zielvorgaben etc. möglich. Dynamisch vorgegebene Zielvorgaben können die Veränderung der Atmungsmuskulatur der Person oder des Patienten berücksichtigen. So kann zum Beispiel eine Fatigue-Zielvorgabe in Abhängigkeit zumindest des aktuellen Fatigue-Index angepasst werden. Entsprechendes gilt für die Atrophy-Zielvorgabe in Abhängigkeit zumindest des aktuellen Fatigue-Index. Weiter schaffen Ausführungsbeispiele eine Atemvorrichtung 100 zur Beatmung einer Person oder eines Patienten 20 umfassend eine Vorrichtung 10 zur
Atemmuskelbeeinflussung der Person oder des Patienten 20, wobei die Kontrolleinrichtung 16 ferner ausgebildet ist, um die Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand zu einem ersten Zeitpunkt in einem Normalmodus mit einer ersten Trainingsintensität und zu einem zweiten Zeitpunkt in einem Trainingsmodus mit einer zweiten Trainingsintensität zu betreiben, und wobei die Kontrolleinrichtung 16 ferner ausgebildet ist, um den Trainingsmodus und die zweite Trainingsintensität während des Normalmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand für zukünftige zweite Zeitpunkte anzupassen. Die Atemvorrichtung 100 kann in Ausführungsbeispielen als Beatmungsgerät ausgeführt sein. Das Beatmungsgerät kann dabei sowohl mittels eines Tubus als auch auf nicht-invasivem Wege (z.B. Beatmungsmaske) an den Patienten angeschlossen sein.
Dabei umfasst der Normalmodus eine Beatmung eines Patienten, die die Atmung in bekannter Weise auf Dauer unterstützt, sodass im Gegensatz zum Trainingsmodus der Normalmodus die optimal lungenschonende Atmung des Patienten langfristig sicherstellt.
Die Atemvorrichtung 100 umfasst zumindest eine der Komponenten einer Gasmischeinheit (Sauerstoff und Druckluft), Flowmessung Inspiration, ein Inspirationsventil, ein Druckmessung Inspiration, einen Inspirationsschlauch, eine Flowmessung Exspiration, ein Exspirationsventil, eine Druckmessung Exspiration, einen Exspirationsschlauch, eine Sauerstoffversorgung, eine Druckluftversorgung, einen Exspirationsauslass und eine Mikrocontroller-Einheit 16, die mit den Druck- und Flowsensoren sowie den Ventilen und der Gasmischeinheit gekoppelt sein kann.
Die Anpassung des Trainingsmodus während des Normalmodus wird auch Offline- Analyse genannt. Im Gegensatz zur Online-Analyse wird die Offline-Analyse nur jeweils am Ende einer Trainings-Session ausgeführt. Im Rahmen der Offline-Analyse müssen die Signalverläufe der einzelnen Muskelzustandsindikatoren daher zwischengespeichert werden. Der Ablauf ist der Online-Analyse grundsätzlich ähnlich, siehe die Beschreibung der Online-Analyse oben. Allerdings gibt es teilweise andere Bewertungskriterien, unterschiedliche Gewichtungen und abweichende Nebenbedingungen bei der Optimierungsaufgabe. Im Gegensatz zur Online-Analyse wird bei der Bewertung dem Verlauf der EMG- Zustände während der Trainings-Session mehr Beachtung geschenkt. Dabei geht es jeweils darum, zu ermitteln, ob sich über die Dauer des Trainings problematische Zustände entwickelt haben. Insbesondere bei zurückliegenden Änderungen der T rainingsintensität von einer zur nächsten T rainings-Session kann hier bewertet werden, ob und wie sich die Änderung der Trainingsaufgabe auf den Muskelzustand ausgewirkt hat. Untersucht wird dabei, wie sich die relative Änderung der mechanischen Trainingsaufgabe in Bezug auf die relative Änderung der EMG Leistung verhält. Weiter kann untersucht werden, ob eine verstärkte Trainingsaufgabe auch mehr Muskelkontraktionen bewirkt (bei den richtigen Muskeln). Im Gegensatz zur Online- Analyse kann es sinnvoll sein, Abweichungen von der bestehenden Trainingsintensität in gewissem Maße zu fordern. Das Training wird dadurch abwechslungsreicher und es können im Rahmen der Auswertung mehr Informationen gesammelt werden. Ergänzend können in der Offline-Analyse auch die Erkenntnisse des aktuellen Normalmodus einfließen. So können Veränderungen des Patienten, zum Beispiel lang andauernde Hustenreize oder dergleichen zu einer Abschwächung der geplanten Trainingsaufgabe führen. Andererseits kann zum Beispiel eine deutlich verbesserte EMG Leistung die geplante Trainingsaufgabe verstärken.
Schließlich ist ein grundlegender Unterschied zur Online-Analyse, dass in der Offline- Analyse nicht nur eine andere Trainings-Intensität, sondern auch ein anderer Trainings- Modus empfohlen werden kann. Dies kann beispielsweise nützlich sein, wenn ein Patient oder die Person einen bestimmten Modus nicht gut vertragen, oder um die Trainings- Variabilität zu erhöhen. Die Empfehlungen der Offline-Analyseeinheit können dabei sowohl automatisiert (in der Planungseinheit) verarbeitet werden, als auch dem Geräteanwender (klinisches Personal, Trainer) angezeigt werden. Im letzteren Fall erfolgt die Entscheidungsfindung durch den Geräteanwender, unterstützt durch die von der Auswerteeinheit bereitgestellten Empfehlungen und Informationen.
Update der individuellen Bewertungskriterien
Neben der Empfehlung einer neuen Trainingsintensität wird im Rahmen der Offline- Analyse auch ein Update der Bewertungskriterien durchgeführt. So können beispielsweise die Schwellwerte adaptiert werden, ab denen ein bestimmtes Level an Fatigue oder ein bestimmtes Verhältnis von Zwerchfell- und Intercostal-Aktivität als kritisch bewertet wird. Mögliche Gründe für die Adaption dieser Schwellwerte sind eine geänderte Trainings- Intensität,
ein geänderter Trainings-Modus sowie messtechnische Veränderungen, wenn sich beispielsweise die EMG-Elektroden an anderen Positionen befinden oder die Leitfähigkeit der Haut sich verändert hat (zum Beispiel aufgrund von Schweiß). Die Frage der grundsätzlichen Vergleichbarkeit von Messungen in unterschiedlichen Trainings- Sessions soll auch bei der Erstellung der jeweiligen Intensitäts-Empfehlungen berücksichtigt werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontrolleinrichtung 16 ferner ausgebildet sein, um den Trainingsmodus als eine zeitlich begrenzte Veränderung einer Atmungsunterstützung der Person oder des Patienten 20 zum Training der Atemmuskulatur der Person oder des Patienten 20 auszuführen. Fig. 5 beschreibt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer verfeinerten Darstellung der Vorrichtung 10 oder der Atemvorrichtung 100 zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person oder eines Patienten. Dabei umfasst die Vorrichtung 10/100 die Atembeeinflussungseinrichtung 14, die pneumatisch mit dem Patienten oder der Person verbindbar ist, was typischerweise durch Schläuche, Mundstücke etc. erfolgt. Weiter umfasst die Vorrichtung 10/100 die Erfassungseinrichtung 12 zur Erfassung der EMG- Signale des Patienten oder der Person. Die Erfassungseinrichtung 12 liefert die EMG- Signale an die Kontrolleinrichtung 16, die von der Atembeeinflussungseinrichtung 14 optional noch ein Signal erhält, das auf pneumatischen Eigenschaften der Atmung des Patienten oder der Person 20 beruht. Die Kontrolleinrichtung 20 übermittelt ein Steuersignal an die Atembeeinflussungseinrichtung 14 zur Einstellung der Atembeeinflussung des Patienten oder der Person 20. Das Steuersignal beruht auf Auswertungen der EMG-Signale und des optionalen pneumatischen Signals. Dabei erzeugt eine Trainingssteuerung 170 der Kontrolleinrichtung 16 für den Trainingsmodus die Steuergrößen und Sollwerte für die Atembeeinflussungseinrichtung 14. Weiter bestimmt eine Planungseinheit 172 der Kontrolleinrichtung 16 die Trainingsaufgabe für den nächsten Trainingsmodus. Schließlich überwacht die Muskelzustandsüberwachung 174 der Kontrolleinrichtung permanent den Zustand des Patienten oder der Person und überwacht insbesondere die relevanten Muskeln. Sie gibt Empfehlungen für die Adaption von Trainings-Modus, -Intensität und -Dauer.
Fig. 6 beschreibt die Komponenten der Atemvorrichtung für den Trainingsmodus, der während einer Trainings-Session zur Anwendung kommt. Dabei werden Patientendaten der Planungseinheit 172 zugeführt. Diese empfängt zusätzlich Anwender-Eingaben von der Anwender-Komponente 176 und liefert Signale an die Trainingssteuerung 170, die auch Signale von der Online-Analyse der Muskelzustandsüberwachung 174 erhält. Im Gegenzug liefert die Trainingssteuerung 170 Steuergrößen und Stellwerte an die Atembeeinflussungseinrichtung 14 sowie an den Trainingsmodus der Muskelzustandsüberwachung 174. Die Atembeeinflussungseinrichtung 14 ist pneumatisch mit dem Patienten oder der Person 20 gekoppelt und liefert respiratorische Parameter an die pneumatischen Signale der Muskelzustandsüberwachung 174. Der Patient 20 erhält Feedback, auch Rückmeldung genannt, vom Patientenfeedback 178 und liefert seine Muskelaktivitäten an den EMG-Verstärker 13, der wiederum EMG an die EMG-Einheit der Muskelzustandsüberwachung 174 liefert. Die bisher genannten Komponenten der Muskelzustandsüberwachung 174 sind innerhalb der Muskelzustandsüberwachung 174 mit allen weiteren Komponenten, 1. Amplitude, 2. Mechanische Belastung, 3. Außergewöhnliche Kondition, 4. Fatigue und 5. Zustand, verknüpft, die im Gegenzug mit allen ergänzenden Komponenten, die Online-Analyse, Offline-Analyse und Scoring umfassen, verknüpft sind. Die Online-Analyse liefert ihre Information zusätzlich an das Patientenfeedback 178 und an das Anwenderfeedback 180. Die Offline-Analyse liefert Signale an die Planungseinheit 172. Das Scoring liefert Signale an das Anwenderfeedback 180. Das Anwenderfeedback 180 liefert Informationen an die Anwender-Komponente 176. Die vorgenannten Komponenten können als verteilte oder zusammengefasste Hardware, als Software oder als vorprogrammierte Hardwareelemente ausgeführt werden, die einen Prozessor enthalten.
Im Zusammenhang mit Fig. 6 ist noch festzuhalten, dass das Atemmuskeltraining aus wiederkehrenden Trainings-Sessions besteht, in denen der Trainingsmodus zur Anwendung kommt. Jede der Trainings-Sessions besteht aus einer anfänglichen Analysephase und der darauf folgenden Trainingsphase. Während der Planungsphase wird durch die Planungseinheit eine Trainingsaufgabe für die folgende Trainingsphase bestimmt. Dazu zählen:
o die Trainings-Modalität, zum Beispiel negativer Mindestinspirationsdruck, gesteuert durch WOB (work of breathing, Atemarbeit), durch EMG-Schwellwert, etc., hier auch Trainingsmodus genannt,
o die Trainings-Intensität, die sich bei den unterschiedlichen Trainings-Modalitäten unterschiedlich ausdrückt, sowie
o die Trainings-Dauer. Sollte die Planungseinheit 172 dem Training entgegenstehende Informationen zum Muskelzustand erhalten, kann die folgende Trainingsphase auch aufgeschoben werden oder ganz entfallen. Bei wiederkehrenden Trainings-Sessions kann anstelle einer weiteren Analysephase auch die vorhergehende T rainingsphase herangezogen werden.
Während der Trainings-Session wird die von der Planungseinheit 172 bestimmte Trainingsaufgabe durchgeführt. Die Muskelzustandsüberwachungseinheit 174 hat dabei die Aufgabe, permanent den Zustand des Patienten und insbesondere der Muskeln zu überwachen
und Empfehlungen für die Adaption von Trainings-Modalität, -Intensität und -Dauer zu geben.
Nach der Trainingsphase wird die Offline-Analyseeinheit aktiv. Sie wertet die Trainingsphase
rückwirkend aus. Die Offline-Analyseeinheit hat folgende Aufgaben:
o Auswertung der zurückliegenden Trainingsphase, um ggf. für die nächste Trainingsphase eine Änderung zu empfehlen (Dauer, Intensität, weitere Trainingswege);
o Generation von Trends und anzeigbaren Daten für das klinische Personal;
o Berechnung eines Ready-To-Wean-Indikators.
Basierend auf den Ergebnissen der Analyse-Einheiten kann natürlich auch der Beatmungsmodus, der auch als Normalmodus bezeichnet ist, außerhalb der Trainings- Sessions adaptiert werden.
Fig. 7 beschreibt ein Verfahren zur Atemmuskelbeeinflussung. Dabei wird im Block Erfassen 42 ein oder mehrere elektromyographisches Signal(e) einer Person oder eines Patienten erfasst. Vom Block Erfassen 42 führen Informationen an den Block Erzeugen 44, der einer Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person 20 basierend auf dem elektromyographischen Signal erzeugt. In Ausführungsbeispielen können ergänzend oder alternativ weitere Messsignale wie Druck, Volumenstrom (Flow), Volumen und/oder etC02 herangezogen werden. Vom Block Erzeugen 44 führen Informationen an den Block Betreiben 46, der einen Betrieb 46 einer Atmungsbeeinflussungseinrichtung 14 in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus vornimmt. Weiter schaffen Ausführungsbeispiele ein Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens 40, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird. Darüber hinaus schaffen Ausführungsbeispiele ein Programm mit einem Programmcode, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird. Das Programm umfasst folgende Schritte: Erfassen (42) eines elektromyographischen Signals einer Person; Erzeugen (44) einer Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person (20) basierend auf dem elektromyographischen Signal; und Steuerung (46) einer Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm 200 mit der Atemleistung des Patienten und verschiedenen Grenzwerten über die Zeit. Die unterste Kurve 210 beschreibt die mindestens zu leistende Atemarbeit (WOB: Work of Breathing) des Patienten, damit keine Atrophie entsteht. Weiter ist die vom Patienten geleistete WOB 220 sowie die zugehörige Fatigue- Grenze 230 eingezeichnet. Schließlich ist eine Linie für WOBself 240 eingezeichnet, der notwendigen Atemarbeit für die selbstständige Atmung des Patienten ohne Beatmungsgerät.
Zu einer Visualisierung des Trainingsfortschritts in einer WOB Darstellung mit Fatigue- und Atrophie-Informationen ist noch festzuhalten, dass durch die EMG unterstützte Überwachung und Analyse des Atemmuskeltrainings zusätzliche Informationen gewonnen werden. Diese Informationen bieten auch für das klinische Personal einen Mehrwert bei der Einschätzung des Patientenzustandes. Um einfach interpretiert werden zu können, ist es jedoch notwendig, die Daten entsprechend aufzubereiten und anzuzeigen. Eine Möglichkeit dazu ist es eine WOBself (ready to wean; bereit zum Entwöhnen) Darstellung über der Zeit zu erweitern. Grundlage ist eine grafische Darstellung 200, bei der die vom Patienten geleistete Atemarbeit über der Zeit dargestellt wird. Dabei wird insbesondere auch zwischen vom Patienten und der Atembeeinflussungseinrichtung 14 geleisteter Atemarbeit unterschieden. Im Folgenden ist eine WOB-Darstellung beschrieben, die mit weiteren Informationen angereichert ist. Dazu zählen insbesondere Informationen aus dem Atemmuskeltraining, Informationen über den Muskelzustands sowie daraus abgeleiteter Informationen. Die einzelnen Trainings-Sessions sind in der Darstellung als temporäre Ausschläge der WOB 220 zu erkennen. Die Darstellung ist ergänzt durch die zu erwartende WOB, wenn der Patient ganz selbstständig atmen würde (WOBself) 240 sowie eine Fatiguegrenze 230 (Abschätzung einer maximalen Muskelleistung bezüglich eintretender Fatigue) und eine Atrophiegrenze (Abschätzung einer minimalen Muskelleistung bezüglich eintretender Muskelatrophie).
Die für den selbstständig atmenden Patienten notwendige WOB (WOBself) 240 wird als Summe aus der selbstständig geleisteten WOB 220 und dem vom Beatmungsgerät stammenden Anteil berechnet. Der vom Beatmungsgerät geleistete Anteil muss dazu vorher um beatmungsbedingte Mehranteile (zum Beispiel zusätzlicher Tubuswiderstand) bereinigt werden.
Die eingezeichnete Fatiguegrenze 230 kennzeichnet den höchsten selbst zu leistenden WOB, ohne den es zur Ausbildung von schädlicher Muskelfatigue kommen kann. Die Fatiguegrenze wird in der Regel EMG-basierend durch die Analyseeinheit am Ende der Trainings-Sessions berechnet. Wenn es während Trainings-Sessions zu einer Fatigue (bestimmt durch EMG-basierenden Fatigue-Index) kommt, die über einem im Rahmen des Trainings erwünschten und zu vertretenden Maß liegt, während es vor dem Training nicht zu Fatigue gekommen ist, wird die Fatiguegrenze auf einen Wert zwischen der WOB vor dem Training und der WOB während des Trainings gesetzt. Die genaue Höhe hängt vom Ausmaß der Fatigue-Index-Veränderung und der zeitdauer bis zum Auftreten ab. Wenn es während des Trainings nicht zu einer wesentlichen Veränderung des Fatigue-Indexes kommt, wird die Fatiguegrenze 230 leicht oberhalb der Trainings-WOB 220 geschätzt. Sollte es auch außerhalb des Trainings zu einer Fatigue kommen, wird die Fatiguegrenze abgesenkt. Die Fatiguegrenze stellt die höchstens dauerhaft leistbare Atemanstrengung dar. Der Abstand der Fatiguegrenze zum für die selbständigen Atmung notwendigen WOB (WOBself) ist als Ready to Wean Indikator zu verstehen. Wenn die Fatiguegrenze den WOBself schneidet und dauerhaft über ihr bleibt, ist davon auszugehen, dass der Patient zumindest von Seiten der Atemmuskeln her selber atmen kann und ein Weaning in Betracht gezogen werden kann (ready to wean).
Die eingezeichnete Atrophiegrenze 210 kennzeichnet den mindestens vom Patienten zu leistenden WOB-Anteil, um eine Muskelatrophie zu verhindern. Wenn der Patienten- WOB-Anteil unterhalb dieser Grenze liegt, ist davon auszugehen, dass die Atemmuskulatur unter Atrophie leidet und weiter degeneriert. Auch wenn es möglich ist, eine Atrophie aus dem EMG abzuleiten, wird diese Grenze vorzugsweise statisch aus dem Körpergewicht (und ggf. Alter und Geschlecht, Krankheit, Temperatur und anderen bekannten Parametern des Patienten) abgeleitet. In einer alternativen Form wird bei der Berechnung der Atrophiegrenze zusätzlich die in der mittelfristigen Vergangenheit geleistete eigene Atemarbeit herangezogen. Die Atrophiegrenze ist dann so zu interpretieren, dass bei Unterschreitung mit einer weiteren Degeneration der Muskeln aufgrund von Atrophie zu rechnen ist.
In einer alternativen (nicht gezeigten) Darstellung ist die Hochachse relativ zum zur selbstständigen Atmung notwendigen WOB angegeben. Zu einer Bestimmung eines EMG-basierenden Ready-To-Wean-Scores ist noch festzuhalten, dass der Ready-T o-Wean Score ausdrückt, wie weit der Patient in der Lage ist, nachhaltig selber zu atmen. Im Gegensatz zu einem Weaning-Indikator, der nur auf dem Anteil an selbstgeleistetem WOB oder weiteren pneumatischen Daten basiert, kann der hier vorgestellte Weaningindikator die weiteren EMG-basierenden Muskelzustandsinformationen inkorporieren. Dadurch drückt er nicht nur aus, ob der Patient in den Trainingsphasen kurzzeitig genug eigene Atemarbeit leisten konnte, sondern kann berücksichtigen wie es der Atemmuskulatur dabei ging und hat somit viel besser die Möglichkeit nachhaltig zu prognostizieren, ob der Patient in der Lage ist, die nötige Atemarbeit dauerhaft zu leisten.
Auch der verbesserte Ready-To-Wean Score basiert grundsätzlich auf dem Anteil an selbstgeleistetem WOB im Verhältnis zu einem WOB, die für eine komplett selbstständige Arbeit notwendig wäre. Zusätzlich berücksichtigt der Score allerdings auch den Zustand der Muskulatur während der kurzfristigen Trainings-Sessions. Dabei wird insbesondere berücksichtigt, wenn sich Anzeichen entwickeln, dass die Belastung, die während der kurzen Trainingszeiträume zu leisten ist, nicht dauerhaft aufbringbar ist.
Im Einzelnen gehen ein:
o Durchhaltevermögen / Zeitdauer (je länger der Patient durchgehalten hat, desto besser),
o Abwertung, wenn dabei Fatigue entstanden ist (EMG-basierend),
o Abwertung, wenn es zu exspiratorischer Aktivität kommt (u.a. EMG-basierend), o Abwertung, wenn es zu starker Umrekrutierung kommt (u.a. EMG-basierend), o Abwertung, bei Krämpfen (EMG-basierend),
o Berücksichtigung der Leistungsverteilung innerhalb eines Atemzuges (EMG- basierend). Damit würde man sich kontinuierlich auf einen weaning trial hinarbeiten. Bei einer Person, die Ready to Wean ist, würde man erwarten, dass es auch bei 100% eigener WOB Anteil für eine mittlere Zeit nicht zu Fatigue-Erscheinungen kommt. Fig. 9a und 9B zeigen in Ausführungsbeispielen Anzeigen auf einem Bildschirm in Form von Screenshots, die beispielshaft aus vier Teilen bestehen:
o Teil A: eine Ortskurvendarstellung des Fatigue-Index 250 über die Zeit, hier nach Tagen zusammengefasst. Ergänzend können weitere Parameter 290 ausgewählt und eingeblendet werden, zum Beispiel die selbst geleistete Atemarbeit, der selbst geleistete WOB;
o Teil B: Darstellung eines Wertes über der Zeit 270, der hier beispielhaft als Trainingsergebnis 260 (training's compliance score) dargestellt ist;
o Teil C: Auf Atemarbeit basierende Darstellung von selbstgeleisteter Atemarbeit, Fatigue und Atrophie, die detailliert als Fig. 8 beschrieben ist; und
o Teil D: Trainingsdetails für ausgewählte Trainings-Session.
Die Hauptaufgaben dieser zusammenhängenden Darstellung sind insbesondere eine o visuelle Kommunikation über die Ergebnisse einer Trainings-Session oder eines Diagnosemanövers und des Zustandes der Muskeln und des Atemapparates;
o visuelle Kommunikation von Ereignissen, die zu einem Trainingsabbruch geführt haben;
o visuelle Kommunikation von Ereignissen, die maßgeblich zu einer Änderung der Trainingsintensität geführt haben;
o transparente Darlegung des Zustandekommens der Muskelzustandsbewertung. Der Nutzer soll insbesondere nachvollziehen können, wieso ein bestimmtes Ergebnis (score) schlecht war und welche Konsequenzen sich daraus ergeben haben o Feedback vom Nutzer für die akzeptablen Wertebereiche. Der Nutzer kann den akzeptablen Bereich 320 einschränken/anpassen. In Fig. 9B-1 ist das beispielhaft bei„Krämpfen“ eingezeichnet. In Ausführungsbeispielen kann es aber auch bei zumindest einem weiteren, bei mehreren Werten oder bei allen Werten einstellbar sein.
o Einfluss des Nutzers auf die Gewichtung (nicht in der Grafik eingezeichnet) kann auch über die grafische Benutzeroberfläche möglich sein. Allgemein sind die beispielhaft gezeigten Informationen unter Berücksichtigung der folgenden Aspekte aufbereitet:
o Die einzelnen Trainings-Sessions können so gekennzeichnet sein, dass sich eine Kopplung zwischen den verschiedenen angezeigten Teilen A-D hersteilen lässt. Beispielhaft kann diese Kopplung durch die Anzeige regenbogenfarbige Punkte gelöst sein. Alternativ wären Formen, Zahlen, Blinkmuster oder dergleichen als Kennzeichnung denkbar.
o Der Nutzer kann in Ausführungsbeispielen interaktiv auswählen, welche Werte auf den Achsen dargestellt werden soll (angedeutet durch Drop-Down-Menü). Dies können sowohl aus dem EMG / pneumatischen Daten abgeleitete Einzelwerte (z.B. Fatigue, EMG-Leistung einer Muskelgruppe oder WOB) als auch daraus abgeleitete bzw. zusammengefasste Werte / Scores sein. Darüber hinaus können in Ausführungsbeispielen der Fig.9B alle weiter vorne genannten Parameter eingebaut werden. Dies kann zumindest einzelne Parameter alle aus den Gruppen:
1. Amplitude, 2. mechanische Belastung, 3. außergewöhnliche Kontraktionen, 4. Fatigue, 5.„innere“ Zustände sowie 6. Weitere Informationen, die beim EMG Signal mit anfallen, umfassen.
Diesbezügliche Ausführungsbeispiele können beispielhaft zu folgenden Darstellungen führen:
o ein bewertetes Trainingsergebnis (score of training compliance) als Zusammenfassung der Trainingsleistung, das unter anderem aus den EMG- Leistungen der Muskelgruppen abgeleitet werden kann;
o ein bewertetes Trainingsergebnis innerer bewerteter Muskelzustandsergebnisse als Zusammenfassung der aus dem EMG abgeleiteten internen Zustandsinformationen des Muskels. Diese internen Zustandsinformationen können Fatigue, Neuromuskuläre Effizienz, Muskelregeneration [zum Beispiel quantifiziert durch DOMS (delayed onset muscle sornes), elektromuskulärer Delay, Atrophie-Risiko sowie max. Druck/Kraft] umfassen.
In den Diagrammen können in Ausführungsbeispielen an den zu einzelnen Trainings- Sessions gehörenden Punkten weitere Informationen angezeigt werden. Dies kann zum Beispiel in einer Blase 280 oder als lokale Ergänzung zum Datenpunkt ausgeführt sein, der hier beispielhaft als Pfeil 300 nach unten zur Visualisierung einer Anpassung der verminderten Trainingsintensität fürs nächste Training dargestellt ist. In Ausführungsbeispielen können darüber hinaus bei der Ortskurvendarstellung 250 die Punkte der Trainings-Sessions durch verblassende Linien, verschiedene Linienstärke, Farbe, Strichelung oder dergleichen verbunden sein, um die Zeitinformation darzustellen. Weiter können in der Ortskurvendarstellung 250 die Punkte durch Zusatzinformationen weiter gekennzeichnet sein, und so beispielhaft mit dem Kalenderdatum ihrer Erfassung ergänzt sein.
Im Folgenden wird die Anzeige von Trainingsdetails erläutert, wie sie beispielsweise in Fig. 9B, Teil D dargestellt sind. Grundsätzlich sollen die Trainingsdetails folgende Zwecke erfüllen:
• dem Nutzerweitere Details des Trainings kommunizieren, also zum Beispiel auch die Werte, die gerade nicht in einem der Grafen zur Anzeige selektiert wurden;
· darüber hinaus hat der Teil D aber auch die wichtige Aufgabe, dem Nutzer die
Entscheidungen der automatischen T rainingsadaption darzulegen. Der Nutzer soll somit in der Lage sein, die automatischen Entscheidungen nachzuvollziehen. Dies kann beispielhaft folgendes umfassen:
o Kommunikation von Problemen, die zu einem Abbruch der Trainings- Session geführt haben, das im Beispiel als Warndreieck 310 bei „Husten“ ausgeführt ist;
o Kommunikation von Effekten, die maßgeblich zu einer Änderung der Trainingsintensität geführt haben. Im Beispiel ist das der grüner Pfeil 300 bei Fatigue, der als Information dient, dass aufgrund nur sehr geringer Fatigue entschieden wurde, die Trainingsintensität zu steigern.
Weiter können Trainingsdetails folgende Zwecke erfüllen:
o bei zusammenfassenden gewichteten Ergebnissen (scores) kann dem Benutzer die Entstehung der gewichteten Ergebnissen (scores) kommuniziert werden;
o einzelne Werte können gruppiert werden.
So können beispielsweise folgende Gruppierungen vorgenommen werden:
o Trainingseigenschaften;
o Atmung (hauptsächlich basierend auf EMG Leistung);
o innere Muskeleigenschaften;
o ganzen Körper betreffenden Eigenschaften, die zum Beispiel als Stress gemessen durch Herzfrequenzvariabilität (heart rate variability) erfasst sein kann.
Im Einzelnen zeigt Fig. 9B als Anzeige D„T rainingsdetails“, die als„Atemmuskeltraining“ benannt sind mit Datum und Uhrzeit. Es folgt die Überschrift„Trainingseigenschaften“, die eine T rainingsintensität grafisch anzeigt und die T rainingsdauer mit 6 Minuten angibt. Es folgt die Überschrift„Atmung“. Als Oberstes ist die vom Patienten selbst geleistete Atemarbeit grafisch dargestellt. Es folgen Einzelergebnisse, die jeweils mit einer Ziffer, dem Score, bewertet sind. Die Einzelergebnisse umfassen die grafisch dargestellte Hustenintensität„Husten“ mit dem Warndreieck 310 und Score 2, sowie entsprechend dargestellte Krampfintensität „Krämpfe“ mit Score 7. Unter der Unterüberschrift „Muskelgruppenaufteilung Inspiration“ folgt die Benennung und grafische Darstellung der Zwerchfellintensität, des Intercostral, der oberen Atemmuskulatur und der Bauchmuskulatur, die zusammen den Score 6 ergeben. Es folgt weiter die „Muskelgruppenaufteilung Exspiration“ mit den gleichen Muskelgruppen und gleicher grafischer Darstellung mit dem zusammengefassten Score 4. Die „Inspiration / Exspiration ratio Zwerchfell“ in grafischer Aufbereitung mit dem Score 5 schließt die Atmungsgruppe ab. Der„Score Trainingscompliance (Zusammenfassung)“ hat den Wert 6,5.
Es folgt die Gruppe „Muskeleigenschaften“ mit der Benennung und grafischen Darstellung von Muskelermüdung (Fatigue) mit Pfeil 300 und Score 5, Neuromuskuläre Effizienz mit Score 7, Muskelregeneration (DOMS) mit Score 8, Atrophie-Risiko mit Score 10 und Elektromuskulärer Delay mit Score 10. Zusammengefasst wird diese Liste als„innerer Muskelzustandsscore
(Zusammenfassung)“ mit Score 7,5. Abschließend ist unter der Überschrift„ganzer Körper“ ein„Stresslevel (z.B. HRV)“ (Herzratenvariabilität) grafisch dargestellt.
Fig. 10 zeigt ein verfeinertes Blockschaltbild der Muskelzustandsüberwachungseinheit 174. Dabei stellen EMG 400, pneumatische Signale 410 und Trainingseinstellungen 420 Eingangssignale zur Verfügung. Diese Signale sind mit dem Block Amplitude 440 verbunden, der die (nicht gezeigten) Aspekte Muskelgruppenaufteilung, Exspiratorische Aktivität, Antizyklische Aktivität / zeitlicher Verlauf Atemhub sowie Thoraktale Anspannung ohne Atmung umfasst. Weiter sind die Signale mit dem Block mechanische Belastung 442 verbunden, der die (nicht gezeigten) Aspekte Atemleistung, Druckdifferenz Lunge, sowie Gegenkräfte umfasst. Weiter sind die Signale mit dem Block außergewöhnliche Kontraktionen 444 verbunden, der die (nicht gezeigten) Aspekte Krämpfe, Husten und Schluckauf umfasst. Weiter sind die Signale mit dem Block Fatigue 446 verbunden. Schließlich sind die Signale mit dem Block Zustand 448 verbunden, der die (nicht gezeigten) Aspekte Pathologie, Atrophie, Neuromuskuläre Effizienz, Muskelregeneration (z.B. quantifiziert durch DOMS, delayed onset muscle sornes) und elektromuskulärer Delay umfasst. Die Ausgangssignale der Blöcke 440, 442, 444, 446 und 448 sind ihrerseits mit den Blöcken Offline-Analyse 460, Online-
Analyse 500 sowie Scoring-Einheit 600 verbunden.
Im Block Offline-Analyse 460 ist jeder der oben genannten Aspekte aller Blöcke 440, 442, 444, 446 und 448 mit entsprechenden Online-Bewertungen 464 bis 466 verbunden, die wiederum mit entsprechenden Online-Gewichtungen 474 bis 476 verbunden sind, die der Übersichtlichkeit halber jeweils nur als zwei Blöcke illustriert sind. Weiter umfasst die Online- Analyse eine Funktionen Empfehlung zum Trainingsabbruch / Empfehlung für "kleine" Erholungspause 462, die ebenfalls mit den Online-Bewertungen 464 bis 466 verbunden sind. Eine Gewichtungsbestimmung mit Berücksichtigung von
Querbeziehungen 490 ist mit den Online-Bewertungen 464 bis 466 und den Online- Gewichtungen 474 bis 476 eingangsseitig sowie auch mit deren Steuerung verbunden. Eine Zusammenfassung zur Adaption der Trainingsintensität während der laufenden Trainingseinheit 480 ist mit den Online-Gewichtungen 474 bis 476 verbunden. Letztere liefert ausgangsseitig zusammen mit der Funktion 462 das Signal zur
Trainingssteuerung 700.
Die Offline-Analyse 500 umfasst die Funktionen Zwischenspeicher für jeden Aspekt 514 des 516, die mit dem jeweiligen Aspekt verbunden ist. Eine Offline- Bewertung für jeden Aspekt 524 bis 526 ist mit den entsprechenden Zwischenspeichern für jeden Aspekt 514 - 516 verbunden. Offline-Gewichtungen für jeden Aspekt 534 bis 536 sind mit der
Offline-Bewertung für jeden Aspekt 524 bis 526 verbunden. Eine
Gewichtungsbestimmung mit Berücksichtigung von Querbeziehungen 510 ist mit dem Zwischenspeicher für jeden Aspekt 514 bis 516 Ausgängen, der Offline Bewertung für jeden Aspekt 524 bis 526 Ausgängen und der Offline-Gewichtungen für jeden Aspekt 534 bis 536 steuernd verbunden. Eine Feststellung EMG-Vergleichbarkeit 545 ist mit der
EMG 400 verbunden. Eine Änderung Trainingsintensität / -modus 550 ist mit der Trainingseinstellungen 420 verbunden. Ein Update-Bewertungskriterium 560 ist mit der EMG-Vergleichbarkeit 545, der Änderung T rainingsintensität / -modus 550 sowie mit der Offline Bewertung für jeden Aspekt 524 bis 526 verbunden. Eine Zusammenfassung zur Adaption der Trainingsintensität - Empfehlung für die Planungseinheit zur nächsten Trainingseinheit 540 ist mit den Offline-Gewichtungen für jeden Aspekt 534 bis 536 verbunden, die ausgangsseitig das Signal zur Planungseinheit / bzw. als Empfehlung zur Anzeige 710 liefert.
Die Scoring-Einheit 600 umfasst die Funktionen Zustandskriterien 610, die mit den jeweiligen Aspekten verbunden ist. Eine Schätzung WOB-Eigenanteil 620 ist mit den pneumatischen Signalen 410 verbunden. Eine Schätzung WOB gesamt (Gerät und Patient) 630 ist mit dem EMG 400 verbunden. Ein Ready-to-Wean Score 640 ist mit den drei vorgenannten Blöcken 610, 620 und 630 verbunden und stellt ausgangsseitig das Signal zur Anzeige 720 bereit.
Zusätzlich kann noch eine (nicht gezeigte) Abschätzung des Stresslevels des gesamten Körpers erfolgen, der basierend auf dem im respiratorischen EMG befindlichen Herzschlages mittels Herzfrequenzvariabilität (heart rate variability) ermittelt werden kann.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezuqszeichenliste
10 Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung
12 Erfassungseinrichtung
13 EMG-Verstärker
14 Atmungsbeeinflussungseinrichtung
16 Kontrolleinrichtung
18 Ein- / Ausgabeeinheit
20 Person / Patient
22 Vorrichtung zur Atemmuskelbeeinflussung, optional als mobiles
Atemmuskeltrainingsgerät ausgeführt
40 Verfahren zur Atemmuskelbeeinflussung
42 Erfassung der EMG und ggf. der pneumatischen Daten
44 Erzeugen der Information über den Muskelzustand
46 Betreiben der Atmungsbeeinflussungseinrichtung
100 Atemvorrichtung zur Beatmung einer Person
170 Trainingssteuerung
172 Planungseinheit
174 Muskelzustandsüberwachungseinheit
176 Anwender
178 Patientenfeedback
180 Anwenderfeedback
200 Energie pro Zeit Diagramm
210 Mindest-WOB zur Atrophy-Vermeidung
220 vom Patienten geleistete WOB
230 Fatigue-Grenze
240 WOBself, für selbstständige Atmung
250 Ortskurve tagesbezogener Fatigue-Werte
260 Anzeige der Benennung der dargestellten Werte
270 Ortskurve tagesbezogener Trainings-Erfolgserlebnis (training compliance score)
280 Detailinformation
290 selbst geleistete Atemarbeit, selbst geleisteter WOB
300 Anpassung der Trainingsintensität 310 Warndreieck wegen erheblichem Husten
320 akzeptablen Bereich, optional vom Nutzer einstellbar
400 EMG
410 pneumatische Signale
420 Trainingseinstellungen
440 Amplitude
442 mechanische Belastungen
444 außergewöhnliche Kontraktionen
446 Fatigue
448 Zustand
460 Offline-Analyse
462 Empfehlung zum Trainingsabbruch / Empfehlung für "kleine"
Erholungspause
464 466 Online-Bewertungen für jeden Aspekt
474 476 Online-Gewichtungen für jeden Aspekt
480 Zusammenfassung zur Adaption der Trainingsintensität während der laufenden Trainingseinheit
500 Offline-Analyse
510 Gewichtungsbestimmung mit Berücksichtigung von
Querbeziehungen
514 - 516 Zwischenspeicher für jeden Aspekt
524 526 Offline-Bewertung für jeden Aspekt
534 536 Offline-Gewichtung für jeden Aspekt
540 Zusammenfassung zur Adaption der Trainingsintensität-
Empfehlung für die Planungseinheit zur nächsten Trainingseinheit
545 Feststellung EMG-Vergleichbarkeit
550 Änderung Trainingsintensität / -modus
560 Update Bewertungskriterien
600 Scoring-Einheit
610 Zustandskriterien
620 Schätzung WOB Eigenanteil
630 Schätzung WOB gesamt (Gerät und Patient)
640 Ready-to-Wean Score
700 Signal zur Trainingssteuerung 710 Signal zur Planungseinheit / bzw. als Empfehlung zur Anzeige
720 Signal zur Anzeige

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20), wobei die Vorrichtung umfasst:
- eine Erfassungseinrichtung (12) zur Erfassung eines elektromyographischen Signals der Person;
- eine Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14); und
- eine Kontrolleinrichtung (16) zur Kontrolle der Erfassungseinrichtung (12) und der Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14),
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um basierend auf dem elektromyographischen Signal eine Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person (20) zu bestimmen, und
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist, um die Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) automatisch in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus mit einer Trainingsintensität zu betreiben.
2. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach Anspruch 1 ,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um den Trainingsmodus als eine wenigstens zeitweise Erschwernis einer Atmung der Person (20) zum Training der Atemmuskulatur auszuführen.
3. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um im Trainingsmodus in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand automatisch eine Atembeeinflussung der Person (20) durch die
Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) adaptiv anzupassen.
4. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um automatisch den Trainingsmodus hinsichtlich einer Trainingsdauer zu beeinflussen.
5. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um automatisch den Trainingsmodus in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand abzubrechen oder zu unterbrechen.
6. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach Anspruch 5,
wobei das Abbrechen oder die Unterbrechung des Trainingsmodus in Abhängigkeit von einem Signal durchgeführt wird,
wobei das Signal mindestens eine Information über zumindest ein Element der Gruppe von
- einer exspiratorischen Aktivität,
- einer inspiratorischen Aktivität,
- schädlichen Druckverhältnissen in der Lunge,
- anhaltenden Krämpfen,
- Husten oder Schluckauf,
- Muskelfatigue über einer als nicht tolerabel angesehenen Schwelle und
- Detektion von pathologischen Zuständen, die die Person schädigen können,
anzeigt.
7. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach Anspruch 5,
wobei das Abbrechen oder die Unterbrechung des Trainingsmodus in Abhängigkeit von einem Signal durchgeführt wird,
wobei das Signal mindestens eine Information über zumindest ein Element der Gruppe von
- einer Änderung/Abweichung in der Muskelgruppenaufteilung und
- einer antizyklischen Aktivität über einer als nicht tolerabel angesehenen Schwelle
anzeigt.
8. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) dazu ausgebildet ist,
um Parameter des Trainingsmodus und/oder Parameter einer Atmungsleistung der Person (20) während der Dauer des Trainingsmodus oder im Anschluss an den Trainingsmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) auszugeben, insbesondere in einer von einem Menschen wahrnehmbaren Form,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist, um die Ausgabe (18) optisch und/oder haptisch und/oder akustisch und bezogen auf eine Zielgröße für diese Person (20) durchzuführen.
9. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach Anspruch 8,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um den Betrieb des Trainingsmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) durch die Person (20) initiierbar und/oder parametrierbar zu machen.
10. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, einem Menschen, insbesondere dem Patienten, durch Manöver der Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) eine Rückmeldung über einen Trainingsverlauf und/oder eine Zielerreichung zukommen zu lassen.
1 1 . Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, um die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit von Signalen, die eine Intensität einer Fatigue und/oder eines Krampfs und/oder einer exspiratorischen Aktivität anzeigen, zu ermitteln.
12. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach Anspruch 11 ,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um eine akzeptable Zielintensität einer Fatigue und/oder eines Krampfs und/oder einer exspiratorischen Aktivität zu ermitteln,
wobei die akzeptable Zielintensität als zeitlich veränderbarer Zielbereich oder Zielpunkt ausgebildet ist.
13. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach Anspruch 11 ,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um eine akzeptable Zielintensität einer Fatigue und/oder eines Krampfs und/oder einer exspiratorischen Aktivität zu ermitteln, wobei die akzeptable Zielintensität als zeitlich konstanter Zielbereich oder Zielpunkt ausgebildet ist.
14. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit von Signalen, die Informationen über das Zwerchfell und/oder die Intercostalmuskulatur und/oder Antagonisten umfassen, zu ermitteln.
15. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist, um die Information über den Muskelzustand in Abhängigkeit eines pneumatischen Signals zu ermitteln.
16. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ausgebildet ist,
- um bei der Ermittlung der Information über den Muskelzustand für zumindest einige Signale eine Bewertung, Gewichtung und Zusammenfassung durchzuführen; und - um den Trainingsmodus in Abhängigkeit der zusammengefassten Signale zu ermitteln.
17. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist, um automatisch ein Manöver zur Ermittlung des Muskelzustands der Person (20) durch gezielte Belastung durchzuführen.
18. Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung einer Person (20) nach Anspruch 17,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist,
um die Ergebnisse des Manövers und/oder Parameter einer Atmungsleistung jeweils bezogen auf Zielvorgaben für die Person (20) auszugeben und/oder Parameter des Trainingsmodus auszugeben.
19. Atemvorrichtung (100) zur Beatmung einer Person (20)
umfassend eine Vorrichtung (10) zur Atemmuskelbeeinflussung der Person (20) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist, um die Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) automatisch in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand zu einem ersten Zeitpunkt in einem Normalmodus mit einer ersten Trainingsintensität und zu einem zweiten Zeitpunkt in einem Trainingsmodus mit einer zweiten Trainingsintensität zu betreiben, und
wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist, um automatisch den Trainingsmodus und die zweite Trainingsintensität während des Normalmodus der Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand für zukünftige zweite Zeitpunkte anzupassen.
20. Atemvorrichtung (100) zur Beatmung einer Person (20) nach Anspruch 19, wobei die Kontrolleinrichtung (16) ferner ausgebildet ist, um den Trainingsmodus als eine zeitlich begrenzte Veränderung einer Atmungsunterstützung der Person (20) zum Training der Atemmuskulatur der Person (20) auszuführen.
21. Programm mit einem Programmcode,
wobei dann, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird,
die Ausführung des Programms mindestens die folgenden Schritte bewirkt:
- Erfassen (42) eines elektromyographischen Signals einer Person;
- Erzeugen (44) einer Information über einen Muskelzustand einer Atemmuskulatur der Person (20) basierend auf dem elektromyographischen Signal;
- Steuerung (46) einer Atmungsbeeinflussungseinrichtung (14) in Abhängigkeit der Information über den Muskelzustand in einem zeitlich begrenzten Trainingsmodus
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