DE102006052572B3

DE102006052572B3 - Verfahren und Beatmungseinrichtung zur druckunterstützten Spontanatmung

Info

Publication number: DE102006052572B3
Application number: DE102006052572A
Authority: DE
Inventors: Marcelo Gama De Abreu; Peter Markus Spieth; Thea Koch
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: DE112007003234A5; WO2008052534A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Beatmungseinrichtung zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung, wobei die Beatmung mittels eines Beatmungsanschlusses und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung erfolgt und wobei eine druckunterstützende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau - entsprechend einem Atemwegsspitzendruck - und einem unteren Niveau - entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck - durchgeführt wird. Die Aufgabe besteht darin, dass eine verbesserte Druckunterstützung realisiert wird, ohne eine umfangreiche Rückkopplung zwischen Druck- oder Strömungsänderungen und der Beatmungseinrichtung zu berücksichtigen und um eine starre Unterstützung der Atmung zu vermeiden. Die Lösung besteht darin, dass während der Spontanatmung eine variable Druckunterstützungsbeatmung mittels eines Variationsmusters des Atemwegsdrucks pVn mit n = 1,2,3,...,m von Atemzug zu Atemzug in der Beatmungseinrichtung (20) durchgeführt wird, wobei das Variationsmuster des Atemwegsdruckes pVn nach einer vorgegebenen Verteilung festgelegt und mittels eines Computers (24, 26) gesteuert wird und wobei die Werte des Atemwegsdrucks pVn einen zeitabhängigen, vorgegebenen Mittelwert (8) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Beatmungseinrichtung zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung, wobei die Beatmung mittels eines Beatmungsanschlusses und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung erfolgt und wobei eine druckunterstützende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem Atemwegsspitzendruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck – durchgeführt wird.

Die Spontanatmung assistierende Beatmungsformen können mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt werden und unterscheiden sich von kontrollierten Beatmungsformen, welche die Spontanatmung nicht unterstützen.

Die meisten der herkömmlichen Verfahren unterstützen die Spontanatmung des am Beatmungsgerät angeschlossenen Patienten durch Erzeugung eines konstanten Atemwegsdruckes bzw. Atemgasflusses. Daraus resultiert ein Atemmuster, das sich monoton verhält. Andere Verfahren zur Unterstützung der Spontanatmung bei beatmeten Patienten können sich an den Bedarf des Patienten bzw. an definierten Zielvariablen anpassen. Dabei können Atemwegsdruck bzw. Atemgasfluss kontinuierlich gemessen werden. Über einen integrierten Controller mit entsprechenden programmtechnischen Mitteln kann das Minutenvolumen konstant gehalten, Komponenten der Lungenmechanik optimiert oder der Gasaustausch durch umfangreiche Rückkopplungssysteme verbessert werden. Charakteristisch an den bekannten Formen der druckunterstützten Spontanatmung ist die Tatsache, dass nach einer Anpassungsphase das Atemmuster konstant bleibt.

Es sind Beatmungsverfahren in der Druckschrift Putensen C., Hering R., Muders T., Wrigge H.: Assisted breathing is better in acute respiratory failure, Curr. Opin Crit Care Med. 2005; 11; 63–8 beschrieben, in denen zwei unterschiedliche Beatmungsformen, nämlich einer Atemwegsdrucknachlassbeatmung (engl. airway pressure release ventilation – APRV) und eine Zweiphasen positive Atemwegsdruckbeatmung (engl. Biphasic Intermittent Positive Airway Pressure – BIPAP), wobei Letztere in Form einer Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve in 1a gezeigt ist, eingesetzt werden. Die beiden Beatmungsverfahren zeichnen sich durch zwei unterschiedliche konstant beabstandete Atemwegsdruckniveaus (engl. continuous positive airway pressure level – CPAP): einem oberen Niveau 1 des Atemwegsdrucks (engl. CPAP level high) und einem unteren Niveau 2 des Atemwegsdrucks (engl. CPAP level low) aus, zwischen denen die Spontanatmung uneingeschränkt stattfinden kann. Das Maß der Druckunterstützung ergibt sich aus der Zeitdauer des Bestehens der beiden Atemwegsdruckniveaus 1, 2 und dem Atemzugvolumen (engl. tidal volume) V_T während der beiden Beatmungsverfahren. Das Atemzugvolumen V_T hängt wiederum von respirationsphysiologischen Gegebenheiten und der konstanten Differenz zwischen den beiden Atemwegsdruckniveaus ab.

Bei der Zweiphasen positiven Atemwegsdruckbeatmung BIPAP wird der Atemwegsdruck zwischen zwei Niveaus – dem oberen Druckniveau (engl. CPAP Level High) und dem unteren Druckniveau (engl. CPAP Level Low) – variiert. Durch die Änderungen des Atemwegsdruckes wird auch das Atemzugvolumen variiert, wobei die beiden Druckniveaus 1, 2 auf ihrem eingestellten Niveau Schwankungen 3 aufweisen. Das Atemzugvolumen hängt per se von der Druckvariation und den mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems ab. Die Spontanatmung kann in diesem Modus uneingeschränkt stattfinden, wird aber vom Beatmungsgerät nicht systematisch atemzugssynchron unterstützt.

In 1b ist eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine konstante Druckunterstützungsbeatmung PSV (engl. pressure support ventilation) mit zwei Atemwegsdruckniveaus nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei die beiden Druckniveaus 1, 2 als niveaukonstante und voneinander gleichabständige Werte 5, 7 und die Atemwegsspitzendruckwerte 5 in zeitlicher Reihenfolge gleichabständig ausgebildet sind. Die Spontanatmung kann in diesem Modus uneingeschränkt stattfinden, wird aber vom Beatmungsgerät systematisch atemzugssynchron unterstützt, wenn eine Einatmungsbemühung des Patienten, sogenannte Trigger 4, vom Beatmungsgerät detektiert wird.

Es ist in der Druckschrift Putensen C., Mutz N., Putensen-Himmer G., Zinserling J.: Spontaneous breathing during ventilatory support improves ventilation-perfusion distributes in patients with acute respiratory distress syndrome, Am J. Respir. Crit. Care med 1999; 159; 1241–1248 ein Vergleich zwischen den Beatmungsverfahren: der Atemwegsdrucknachlassbeatmung APRV beziehungsweise der Zweiphasen positive Atemwegsdruckbeatmung BIPAP einerseits und andererseits der konstanten Druckunterstützungsbeatmung PSV beschrieben, wobei bei Letzterer, wie in 1b gezeigt ist, nur ein unteres Atemwegsdruckniveau verwendet wird und bei jeder spontanen Inspiration ein höheres Atemwegsdruckniveau von begrenzter Dauer generiert wird und dabei bei jeder vom Beatmungsgerät gemessenen Inspiration die Spontanatmung unterstützt wird, was eine Synchronie zwischen Patient und Beatmungsgerät voraussetzt. Es wird beschrieben, dass zum Einen die Atemwegsdrucknachlassbeatmung APRV beziehungsweise Zweiphasen positive Atemwegsdruckbeatmung BIPAP gegenüber der konstanten Druckunterstützungsbeatmung PSV hinsichtlich des Gasaustausches zu besseren Ergebnissen führen und zum Anderen die konstante Druckunterstützungsbeatmung PSV keinen wesentlichen Vorteil im Vergleich zur vollständig kontrollierten Beatmung bringen sollen. Dabei wird die Entkopplung von Spontanatmung und maschinell generierten Atemzügen für ein besseres Ventilation/Perfusion-Verhältnis in der Lunge für notwendig erachtet. Es wird in der Druckschrift eingeschätzt, dass die Erzeugung eines negativen intrathorakalen Druckes erforderlich sei, um den venösen Rückfluss und die Lungenperfusion zu verbessern, was bei der konstanten Druckunterstützungsbeatmung PSV nicht möglich wäre, da bei der konstanten Druckunterstützungsbeatmung PSV jeder Atemzug mit einem relativ hohen positiven Druck unterstützt wird.

Trotz dieser negativen Bewertung ist in der Druckschrift Patroniti N. et al: Sigh improves gas exchange and lung volume in patients with acute respiratory distress syndrome undergoing pressure support ventilation, Anesthesiology 2002; 393; 788–794 beschrieben, dass, wie in 2 gezeigt ist, die konstante Druckunterstütztungsbeatmung PSV in einer Kombination mit fest vorgegebenen Seufzern 6, d.h. mit kurzfristigen Erhöhungen des Atemwegsdruckes über das obere Druckniveau 1 hinaus und mit längerer Zeitdauer, wobei die Seufzer 6 in festen Abständen maschinell erzeugt werden, durchaus zu einer Verbesserung des Gasaustausches in der Lunge bei spontan atmenden Patienten mit akutem Lungenversagen führen kann. Der Mechanismus dieser Verbesserung wird am ehesten durch die Rekrutierung kollabierter Lungenareale erklärt, da eine Steigerung des venösen Rückflusses nicht zu erwarten ist. Dabei wird auch unter Anwendung von Seufzern 6 in Kombination mit der konstanten Druckunterstütztungsbeatmung PSV eine Redukti on der respiratorischen Frequenz ermöglicht. Da bei niedrigem Atemantrieb die Synchronie zwischen Beatmungsgerät und Patient verbessert wird, könne dieser Umstand den positiven Effekt der Kombination zumindest partiell erklären.

Dazu ist in 2 eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für die konstante Druckunterstützungsbeatmung PSV mit einem involvierten Seufzer 6 und zwei druckkonstanten Atemwegsdruckniveaus 1, 2 dargestellt, wobei bei der konstanten Druckunterstützungsbeatmung PSV das Niveau der Unterstützung jedes einzelnen Atemzuges adjustiert wird, um das gewünschte Atemzugsvolumen zu erreichen. Die Seufzer 6 können erzeugt werden, indem ein oberhalb des oberen Druckniveaus 1, liegendes, als Seufzer bezeichnetes Atemwegsspitzendruckniveau 6 in regelmäßigem Abstand generiert wird.

Ein Problem der genannten Verfahren bestehen darin, dass sie ein Beatmungsmuster generieren, welches monoton erzeugt wird, was bedeutet, dass eine Konstanz des Strömungs- bzw. Druckprofils von Atemzug zu Atemzug resultiert und so ein monotones Atemmuster entstehen kann. Dieses monotone Atemmuster bewirkt jedoch einen Verlust der intrinsischen Variabilität des respiratorischen Systems.

Ein Problem der Verfahren, die sich gleichzeitig durch ein umfangreiches, über eine einfache Atmungserkennung hinausgehendes Rückkopplungssystem auszeichnen, ist die Anpassung des Beatmungsgerätes im Ist-Zustand anhand vordefinierter Zeitvariablen, was zu einer Konstanz im Soll-Zustand führt. Nach der Anpassung des Beatmungsgerätes und dem Erreichen des Soll-Zustandes findet deswegen eine starre Unterstützung der Atmung statt, d.h. es resultiert eine monotone Beatmungsform. Außerdem sind eingesetzte computergestützte Rückkopplungsalgorithmen komplex, schwierig zu implementieren und mit erhöhten Kosten verbunden.

Eine Vorrichtung zur Beurteilung des anliegenden Luftdrucks bei der automatisierten Beatmung durch positiven Atemwegsdruck ist in der Druckschrift WO 00/24446 beschrieben, wobei mittels der Vorrichtung der anliegende Atemwegsdruck variiert wird, so dass mindestens drei unterschiedliche Druckwerte eingestellt werden. Für diese Druckwerte wird der entsprechende Atemgasfluss gemessen. Aus der Relation des gemessenen Atemgasflusswertes zueinander wird beurteilt, ob der anliegende Atemwegsdruck unterhalb oder oberhalb eines optimalen Druckniveaus liegt oder ob der anliegende Atemwegsdruck dem optimalen Druckniveau entspricht. Die Vorrichtung kann bei der Einstellung des optimalen Atemwegsdrucks in Beatmungsgeräten für die CPAP-Therapie verwendet werden.

Ein Problem besteht darin, dass der Atemwegsdruck, der durch dieses System generiert wird, bei gleich bleibenden Bedürfnissen des Patienten konstant bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Beatmungseinrichtung zur druckunterstützten Spontanatmung anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine verbesserte Druckunterstützung realisiert wird, ohne eine umfangreiche Rückkopplung zwischen Druck- oder Strömungsänderungen und der Beatmungseinrichtung zu berücksichtigen. So soll eine starre Unterstützung der Atmung vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst.

In dem Verfahren zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung, wobei die Beatmung mittels eines Beatmungsanschlusses und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung erfolgt und wobei eine druckunterstützende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem Atemwegsspitzendruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck – durchgeführt wird,
wird gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
während der Spontanatmung eine variable Druckunterstützungsbeatmung mittels eines Variationsmusters des Atemwegsdrucks p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m von Atemzug zu Atemzug in der Beatmungseinrichtung durchgeführt, wobei das Variationsmuster des Atemwegsdruckes p_Vn, nach einer vorgegebenen Verteilung festgelegt und mittels eines Computers gesteuert wird und wobei die Werte des Atemwegsdrucks p_Vn, einen zeitabhängigen, vorgegebenen Mittelwert bilden.

Der endexspiratorische Atemwegsdruck p₀ der variablen Druckunterstützungsbeatmung kann sowohl mit p₀ konstant gehalten als auch während der Beatmung mit p₀ ≠ const = p_0V varriert werden.

Mittels programmtechnischer Mittel im Computer kann als vorgegebenes Variationsmuster eine Zufallsreihenfolge über einen Zufallsdruckwertegenerator eingesetzt werden.

Mittels programmtechnischer Mittel im Computer kann das vorgegebene Variationsmuster fraktal ausgebildet werden.

Mittels programmtechnischer Mittel im Computer kann das vorgegebene Variationsmuster nach einer beliebigen Verteilung oder einer Reihenfolge von absoluten Werten ausgebildet werden.

Während der Durchführung einer erfindungsgemäßen variablen Druckunterstützungsbeatmung kann bei jedem Atemzug ein unterschiedlicher Atemwegsdruck p_Vn erzeugt werden.

Bei einer ersten zugehörigen Variante der variablen Druckunterstützungsbeatmung mit einem internen Computer allein kann die zu erzeugenden Atemwegsdruckwerte p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m aus einem internen Speicher abgefragt bzw. durch den Computer selbst generiert werden.

Bei der variablen Druckunterstützungsbeatmung mit einer in Bezug auf die Beatmungseinrichtung externen bzw. internen Kontrolle des Variationsmusters können interne Sensoren der Beatmungseinrichtung den Strömungs- und Atemwegsdruck überwachen, wobei anhand von Triggerkriterien innerhalb von programmtechnischen Mitteln eine Erkennung durchgeführt wird, wann eine Inspiration in Form einer Druckänderung und/oder einer Strömung vorhanden ist, worauf die Beatmungseinrichtung mit der variablen Druckunterstützungbeatmung reagiert.

Die variable Druckunterstützung weist folgende Schritte auf:

– Im ersten Überwachungsschritt erfolgt eine Druck-/Strömungsüberwachung durch die Beatmungseinrichtung,
– im Triggerungsschritt wird über mindestens ein Druckänderungsignal und/oder Strömungssignal – eine Inspiration – der Druck- und/oder Strömungstrigger aktiviert, dessen/deren Signale dem internen oder externen Computer zugeführt werden, wobei bei Auslösungsstop die Überwachung von Druck- und Strömungsänderungen im Bereich des Beatmungsanschlusses latent weitergeführt wird,
– im Abfrageschritt, der die Triggerung auslöst, erfolgen Abfragen über die nächste Druckunterstützung, aus deren Folge im Beatmungsmusterausgabeschritt das Beatmungsvariationsmuster aus einem zutreffenden Speicher freigegeben wird,
– im Festlegungsschritt wird die Signalisierung der Druckunterstützung mit dem übernommenen Beatmungsvariationsmuster ausgegeben,
– im Erzeugungsschritt wird die variable Druckunterstützung erzeugt und über den Beatmungsanschluss die variable Druckunterstützungsbeatmung durchgeführt,

wobei die letzten drei Schritte in einem Modul zur Lieferung der Druckunterstützungsniveaus, das entweder dem internen Computer oder dem externen Computer zugeordnet sein kann, abgearbeitet werden.

In der Beatmungseinrichtung zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung mit einem Beatmungsanschluss, wobei die Beatmung mittels des Beatmungsanschlusses und der daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung erfolgt und wobei eine druckunterstüt zende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem Atemwegsspitzendruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck – durchgeführt wird, nach dem Verfahren nach Anspruch 1, enthält gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 10 die Beatmungseinrichtung einen Druck-/Strömungs-Generator, mindestens einen Druck-/Strömungssensor sowie einen Computer mit mindestens einem Speicher, wobei in dem Speicher des Computers mindestens ein Variationsmuster des Unterstützungsdruckes nach einer vorgegebenen Verteilung gespeichert ist, und/oder programmtechnische Mittel im Computer vorhanden sind, die während des Betriebes der Beatmungseinrichtung das Variationsmuster für eine variable Druckunterstützungsbeatmung generieren, wobei die zugehörigen Atemwegsdruckwerte p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m einen zeitabhängigen, definierten Mittelwert bilden und wobei der endexspiratorischen Atemwegsdruck p₀ auf einem unteren Niveau mit p₀ ≠ const. = p_0V variabel oder mit p₀ = const. konstant einstellbar ist.

Wahlweise können in einem in die Beatmungseinrichtung integrierbaren externen Computer auch Variationsmuster des Unterstützungsdruckes in einem seiner externen Speicher enthalten sein, mit dem eine zweite extern vorbereitete Variante der variablen Druckunterstützungsbeatmung durchführbar ist.

Bei der zweiten Variante mit dem externen Computer kann dieser als so genannter Hauptcomputer eingesetzt werden, der den internen Computer der Beatmungseinrichtung ständig nach dem Beginn eines Atemzugs – einer Strömung oder eines Druckunterschiedes – abfragt und die Höhen der zu erzeugenden Atemwegsdruckniveaus p_Vn liefert.

Der Druck- bzw. Strömungs-Generator ist für die Erzeugung des vorgegebenen Atemwegsdrucks p_Vn verantwortlich, und die Druck- bzw. Strömungssensoren überwachen ständig die variable Druckunterstützungsbeatmung.

Des Weiteren ist zumindest ein Modul zur Lieferung der Druckunterstützungsniveaus für die variable Druckunterstützungsbeatmung vorhanden, das entweder dem internen oder dem externen Computer zugeordnet ist.

Die Erfindung ermöglicht es, ohne umfangreiches Rückkopplungssystem, d.h. ohne eine Anpassung des Beatmungsmusters an die gemessene Atmung eines Patienten bzw. zu einer bestimmten Messvariable oder zu einem Messparameter, die Variation der Druckunterstützung in der Beatmungseinrichtung zu steuern, wobei die Variation vor Beginn des Beatmungsprozesses festgelegt wird und der Mittelwert der Druckunterstützungswerte frei gewählt werden kann.

Dabei wird die Spontanatmung mit unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus unterstützt, jedoch nicht mittels eines umfangreichen Rückkopplungsmechanismus, was die Wiederherstellung und Aufrechterhaltung der Variabilität des Atemmusters in jeder Situation ermöglicht. Dabei kann die Spontanatmung wie beschrieben mit der Veränderung des Unterstützungsdrucks sowohl ohne Druckunterstützung stattfinden als auch maximal unterstützt werden.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass durch die Wiederherstellung und Aufrechterhaltung der Variation des Atemmusters bei der variablen Druckunterstützungsbeatmung nicht nur eine Verbesserung der Lungenfunktion, sondern auch eine schnellere Entwöhnung des Patienten von der maschinellen Beatmung erreicht werden kann, so dass kürzere Beatmungszeiten resultieren. Die ungleichmäßige Spontanatmung mittels variabler Unterstützungsdruckwerte kann zu einer Verbesserung des venösen Rückflusses und der Herzleistung führen. Überproportional druckunterstützte Atemzüge können schließlich zu der Eröffnung kollabierter Lungenareale beitragen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1a eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve mit zwei fest eingestellten Atemwegsdruckniveaus für eine Zweiphasen positive Atemwegsdruckbeatmung und Spontanatmung nach dem Stand der Technik,
1b eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine konstante Druckunterstützungsbeatmung PSV und mit zwei fest eingestellten Atemwegsdruckniveaus nach dem Stand der Technik,
2 eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine konstante Druckunterstützungsbeatmung PSV und involvierten Seufzern mit zwei fest eingestellten Atemwegsdruckniveaus nach dem Stand der Technik,
3 eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für das erfindungsgemäße Verfahren mit einer variablen Druckunterstützungsbeatmung mit mehreren Atemwegsspitzendruckniveaus, einem fest eingestellten endexspiratorischen Atemwegsdruckwert und zeitvariabel einstellbaren Unterstützungsdruckwerten,
4 eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve während der konstanten Druckunterstützungsbeatmung PSV und Lungenfunktionsparameter bei respiratorischer Insuffizenz nach 2,
5 eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve während der Beatmung mit variabler Druckunterstützungsbeatmung und Lungenfunktionsparameter bei respiratorischer Insuffizenz nach 3,
6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Beatmungseinrichtung und
7 einen Flussdiagramm über das Verfahren in der Beatmungseinrichtung.
Im Folgenden werden die 3 und 6 gemeinsam betrachtet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung erfolgt die Beatmung gemäß 6 mittels eines Beatmungsanschlusses 21 und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung 20, wobei eine druckunterstützende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss 21 auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau 1 – entsprechend einem Atemwegsspitzendruck – und einem unteren Niveau 2 – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck – durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird gemäß 3 während der Spontanatmung eine variable Druckunterstützungsbeatmung mittels eines Variationsmusters des Atemwegsdrucks p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m von Atemzug zu Atemzug in der Beatmungseinrichtung 20 durchgeführt, wobei das Variationsmuster des Atemwegsdruckes p_Vn nach einer vorgegebenen Verteilung festgelegt und mittels eines Computers 24, 26 gemäß 6 gesteuert wird und wobei die Werte des Atemwegsdrucks p_Vn einen zeitabhängigen, vorgegebenen Mittelwert 8 bilden.
Der endexspiratorische Atemwegsdruck p₀ 2 kann sowohl mit p₀ = const. konstant gehalten als auch während der Beatmung mit p₀ ≠ const. = p_0V variiert werden.
Mittels programmtechnischer Mittel in einem der Computer 24, 26 kann als vorgegebenes Variationsmuster eine Zufallsreihenfolge über einen Zufallsdruckwertegenerator eingesetzt werden.
Auch kann mittels programmtechnischer Mittel im Computer 24, 26 das vorgegebene Variationsmuster fraktal ausgebildet werden.
Es kann des Weiteren mittels programmtechnischer Mittel im Computer 24, 26 das vorgegebene Variationsmuster nach einer beliebigen Verteilung oder einer Reihenfolge von absoluten Werten ausgebildet werden.
Das Muster der erfindungsgemäßen Atemwegsunterstützungsvariation kann somit auch beliebig festgelegt werden, so dass drei oder mehrere Unterstützungsdruckniveaus erzeugt werden.
In 3 werden die Atemwegsdruckwerte p_Vn auf drei oder mehreren Druckunterstützungsniveaus p_V1, p_V2, p_V3, p_Vm in der Druckhöhe variiert, wobei deren jeweiliger Druckunterstützungsniveauaufbau in zeitlicher Reihenfolge nicht gleichabständig, sondern vom Trigger 4 abhängig, ausgelöst und ausgebildet wird. Dabei können sowohl Seufzer p_Vm 6 mit einer maximalen Unterstützung, z.B. mit einem Druckanstieg von z.B. 35cm H₂O-Säule als auch eine freie Spontanatmung bei dem Atemwegsdruckwert p_V3 bei weitgehend vermiedener Unterstützung in unterschiedlichem Zeitabstand zum vorhergehenden Druckunterstützungsniveau erzeugt werden, wobei der Atemwegsdruck 2 das endexspiratorische Druckniveau p₀ darstellt.
Die 4 zeigt die Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve während der konstanten Druckunterstützungsbeatmung PSV nach dem Stand der Technik und die Lungenfunktionsparameter bei respiratorischer Insuffizienz, wobei bei jedem Atemzug die Spontanatmung mit gleichem Druck p_K unterstützt wird, zu einem Vergleich zur nachfolgenden 5.
In 5 werden eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve während der Beatmung mit der erfindungsgemäßen variablen Druckunterstützungsbeatmung und Lungenfunktionsparameter bei respiratorischer Insuffizienz gezeigt. Bei jedem Atemzug wird ein unterschiedlicher Atemwegsdruck p_Vn erzeugt, wobei der Mittelwert 8 der Unterstützungsdruckwerte p_Vn mit den Atemwegsspitzendruckwerten von herkömmlichen Beatmungsverfahren verglichen werden kann.
Um den Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren zur variablen Druckunterstützungsbeatmung und den herkömmlichen Beatmungsverfahren zu verdeutlichen, wird in der 4 der Verlauf des nahezu konstanten Atemwegdrucks p_K, der über ca. 35 Sekunden aufgezeichnet ist, gezeigt. Er unterscheidet sich vom Verlauf des Atemwegsdrucks p_Vn während der erfindungsgemäßen variablen Druckunterstützungsbeatmung am gleichen Modell nach 5.
Der Mittelwert 8 des Unterstützungsdrucks in 5 und der mittlere Unterstützungsdruck 8' in 4 sind bei den beiden Beatmungsverfahren nahezu identisch, jedoch führt die variable Druckunterstützungsbeatmung in 5 zu einem besseren Gasaustausch und zu einer besseren Lungenmechanik, was ein Vergleich zwischen den Parametern Dehnbarkeit (eng. elastance) in mbar/l und Widerstand (engl. resistance) in mbar/l/s in der Lunge zeigt. Bei gleich hoch eingestellten mittlerem Unterstützungsdrücken 8' in 4 und Mittelwert 8 in 5 sind in 5 bei erfindungsgemäßer variabler Druckunterstützungsbeatmung wesentlich höhere Atemzugsvolumen V_T (250ml), wesentlich niedrigere Parameter der Lungendehnbarkeit (Elastance = 75mbar/l) und Atemwegswiderstände (Resistance = 9mbar/l/s) möglich.
Die in 6 dargestellte Beatmungseinrichtung 20 zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung enthält einen Beatmungsanschluss 21, wobei die Beatmung mittels des Beatmungsanschlusses 21 und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung 20 erfolgt und wobei eine druckunterstützende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss 21 auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau 1 – entsprechend dem Atemwegsspitzendruck – und einem unteren Niveau 2 – entsprechend dem endexspiratorischen Atemwegsdruck – bei einem Unterstützungsdruck durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß enthält die Beatmungseinrichtung 20 einen Druck-/Strömungs-Generator 22, einen Druck-/Strömungssensor 23 sowie einen Computer 24 mit mindestens einem Speicher 25, wobei in dem Speicher 25 des Computers 24 mindestens ein Variationsmuster des Unterstützungsdruckes nach einer vorgegebenen Verteilung gespeichert ist, und/oder programmtechnische Mittel im Computer 24 vorhanden sind, die während des Betriebes der Beatmungseinrichtung 20 das Va riationsmuster für eine variable Druckunterstützungsbeatmung generieren, wobei die zugehörigen Atemwegsdruckwerte p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m einen zeitabhängigen, definierten Mittelwert bilden und wobei der endexspiratorischen Atemwegsdruck p₀ auf einem unteren Niveau mit p₀ = const. konstant gehalten als auch während der Beatmung mit p₀ ≠ const. = p_0V variabel einstellbar ist.
Bei einer zugehörigen Variante – der Variante 1 – mit dem internen Computer 24 allein werden z.B. die erfindungsgemäßen, zu erzeugenden Unterstützungsdruckwerte aus dem internen Speicher 25 abgefragt bzw. durch den Computer 24 selbst generiert.
Ebenso können in einem zweiten in die Beatmungseinrichtung 20 integrierbaren externen Computer 26 auch die Variationsmuster des Unterstützungsdruckes in einem seiner externen Speicher 27 enthalten sein, mit dem die zweite Variante der variablen Druckunterstützungsbeatmung durchgeführt werden kann.
Bei der Variante mit dem externen Computer 26 – Variante 2 – kann dieser als so genannter Hauptcomputer, der den internen Computer 24 der Beatmungseinrichtung 20 ständig nach dem Beginn eines Atemzuges abfragt und die Höhe des Unterstützungsdrucks liefert, ausgebildet sein.
Der Druck- bzw. Strömungs-Generator 22 ist für die Erzeugung des vorgegebenen Atemwegsdrucks p_V verantwortlich, und der/die Druck- bzw. Strömungssensor/en 23 überwacht/überwachen das Atemmuster ständig.
Das in 7 dargestellte Flussdiagramm mit Schrittfolge zeigt die Abfolge von Ereignissen im Rahmen der erfindungsgemäßen variablen Druckunterstützungsbeatmung mit einer in Bezug auf die Beatmungseinrichtung 20 externen bzw. internen Kontrolle des Variationsmusters.
Die internen Sensoren 23 der Beatmungseinrichtung 20 überwachen den Strömungs- und Atemwegsdruck. Anhand von Triggerkriterien wird erkannt, wann der Patient mit der Einatmung beginnt, d.h. wenn bereits oder noch Druckänderungs- und/oder Strömungssignale vorhanden sind, woraufhin die Beatmungseinrichtung 20 mit einer computervorgegebenen variablen Druckunterstützung reagiert. Das Niveau der variablen Druckunterstützung kann nach Variante 2 mit dem externen Computer 26 dem internen Computer 24 der Beatmungseinrichtung 20 übertragen und nach Variante 1 durch den eigenen internen Computer 24 generiert bzw. aus dem Speicher 25 abgerufen werden.
Die Schrittfolge besteht in Folgendem:
Im Überwachungsschritt 30 erfolgt eine Druck-/Strömungsüberwachung durch die Beatmungseinrichtung 20. Im Triggerungsschritt 31 wird über den Druck- oder Strömungssensor die Atembemühung in Form von Druckänderungs- und/oder Strömungssignalen erkannt und nach Überschreiten der Triggerschwelle ein Signal dem internen oder externen Computer 24, 26 zugeführt. Sollte die Triggerschwelle nicht überschritten werden, so wird die Überwachung latent weitergeführt. Im Abfrageschritt 32, der von der Triggerung ausgelöst wird, erfolgen Abfragen über die nächste Druckunterstützung, aus deren Folge im Beatmungsmusterausgabeschritt 33 das Beatmungsmuster aus einem zutreffenden Speicher 25, 27 freigegeben wird. Im Festlegungsschritt 34 wird die Signalisierung der variablen Druckunterstützung mit dem übernommenen Beatmungsmuster ausgegeben, so dass im Erzeugungsschritt 35 die variable Druckunterstützung erzeugt wird und über den Beatmungsanschluss 21 die variable Druckunterstützungsbeatmung durchgeführt wird. Die drei Schritte 33, 34, 35 werden in einem Modul 36 zur Lieferung der Druckunterstützungsniveaus abgearbeitet, das ein Teil entweder des internen Computers 24 oder des externen Computers 26 ist.
Mit der Erfindung können als deren Folge eine Senkung der Mortalität durch eine Verbesserung der respiratorischen Funktion, eine schnellere Entwöhnung der Patienten von der mechanischen Beatmung sowie kürzere Aufenthaltszeiten von Patienten auf der Intensivstation erreicht werden.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Lungenfunktion in Bezug auf den Gasaustausch, d.h. der arteriellen Oxygenierung bzw. CO₂-Elimination der mechanischen Eigenschaften der Lungen, z.B. des Widerstandes und der Dehnbarkeit sowie der Reduktion der Atemarbeit verbessert werden.

1: oberes Druckniveau
2: unteres Druckniveau
3: Druckschwankungen durch Spontanatmung
4: Trigger
5: konstanter oberer Druckwert
6: Seufzer
7: konstanter unterer Druckwert
8: Mittelwert
8': mittlerer Unterstützungsdruckwert
20: Beatmungseinrichtung
21: Beatmungsanschluss
22: Druck- bzw. Strömungs-Generator
23: Druck- bzw. Strömungssensor/en
24: Interner Computer
25: Interner Speicher
26: Externer Computer
27: Externer Speicher
30: Überwachungsschritt
31: Triggerungsschritt
32: Abfrageschritt
33: Beatmungsmusterausgabeschritt
34: Festlegungsschritt
35: Erzeugungsschritt
36: Modul zur Lieferung der Druckunterstützungsniveaus
p_V: Atemwegsdruck
p₀: endexspiratorischer Atemwegsdruck
p_0V: variabler endexspiratorischer Atemwegsdruck
V_T: Atemzugvolumen

Claims

Verfahren zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung, wobei die Beatmung mittels eines Beatmungsanschlusses und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung erfolgt und wobei eine druckunterstützende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem Atemwegsspitzendruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck – durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Spontanatmung eine variable Druckunterstützungsbeatmung mittels eines Variationsmusters des Atemwegsdrucks p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m von Atemzug zu Atemzug in der Beatmungseinrichtung (20) durchgeführt wird, wobei das Variationsmuster des Atemwegsdruckes p_Vn nach einer vorgegebenen Verteilung festgelegt und mittels eines Computers (24, 26) gesteuert wird und wobei die Werte des Atemwegsdrucks p_Vn einen zeitabhängigen, vorgegebenen Mittelwert (8) bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der endexspiratorische Atemwegsdruck p₀ (2) der variablen Druckunterstützungsbeatmung sowohl mit p₀ = const. konstant gehalten als auch während der Beatmung mit p₀ ≠ const. = p_0V variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels programmtechnischer Mittel im Computer (24, 26) als vorgegebenes Variationsmuster eine Zufallsreihenfolge über einen Zufallsdruckwertegenerator eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels programmtechnischer Mittel im Computer (24, 26) das vorgegebene Variationsmuster fraktal ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels programmtechnischer Mittel im Computer (24, 26) das vorgegebene Variationsmuster nach einer beliebigen Verteilung oder einer Reihenfolge von absoluten Werten ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung einer variablen Druckunterstützungsbeatmung bei jedem Atemzug ein unterschiedlicher Atemwegsdruck erzeugt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten zugehörigen Variante der variablen Druckunterstützungsbeatmung mit einem internen Computer (24) allein die zu erzeugenden Atemwegsdruckwerte p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m aus einem internen Speicher (25) abgefragt oder durch den Computer (24) selbst generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der variablen Druckunterstützungsbeatmung mit einer in Bezug auf die Beatmungseinrichtung (20) externen bzw. internen Kontrolle des Variationsmusters interne Sensoren (23) der Beatmungseinrichtung (20) die Atemwegsströmung und/oder der Atemwegsdruck überwachen, wobei anhand von Triggerkriterien innerhalb von programmtechnischen Mitteln eine Erkennung durch geführt wird, wann eine Inspiration in Form mindestens eines Druckänderungs- und/oder Strömungssignals vorhanden ist, worauf die Beatmungseinrichtung (20) mit einer computervorgegebenen variablen Druckunterstützungbeatmung reagiert.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Druckunterstützung folgende Schritte aufweist: – Im ersten Überwachungsschritt (30) erfolgt eine Druck-/Strömungsüberwachung durch die Beatmungseinrichtung (20), – im Triggerungsschritt (31) wird mittels mindestens eines Druckänderungs- und/oder Strömungssignals der Druck- oder Strömungstrigger aktiviert, dessen Signale dem internen oder externen Computer (24, 26) zugeführt werden, wobei bei fehlender Auslösung des Triggers, die Überwachung von Druck- und Strömungsänderungen im Bereich des Beatmungsanschlusses (21) latent weitergeführt wird, – im Abfrageschritt (32), der die Triggerung auslöst, erfolgen Abfragen über die nächste Druckunterstützung, aus deren Folge im Beatmungsmusterausgabeschritt (33) das Beatmungsvariationsmuster aus einem zutreffenden Speicher (25, 27) freigegeben wird, – im Festlegungsschritt (34) wird die Signalisierung der Druckunterstützung mit dem übernommenen Beatmungsvariationsmuster ausgegeben, – im Erzeugungsschritt (35) wird die variable Druckunterstützung erzeugt und über den Beatmungsanschluss (21) die variable Druckunterstützungsbeatmung durchgeführt, wobei die letzten drei Schritte (33, 34, 35) in einem Modul (36) zur Lieferung der Druckunterstützungsniveaus, das entweder dem internen Computer (24) oder dem externen Computer (26) zugeordnet ist, abgearbeitet werden.
Beatmungseinrichtung zur druckunterstützten Spontanatmung auf der Basis einer Druckunterstützungsbeatmung mit einem Beatmungsanschluss, wobei die Beatmung mittels des Beatmungsanschlusses und der daran angeschlossenen computerintegrierten Beatmungseinrichtung erfolgt und wobei eine druckunterstützende Gasübertragung über den Beatmungsanschluss auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem Atemwegsspitzendruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck – durchgeführt wird, nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beatmungseinrichtung (20) einen Druck-/Strömungs-Generator (22), mindestens einen Druck-/Strömungssensor (23) sowie mindestens einen Computer (24, 26) mit mindestens einem Speicher (25, 27) enthält, wobei in dem Speicher (25, 27) des Computers (24, 26) mindestens ein Variationsmuster des Unterstützungsdruckes nach einer vorgegebenen Verteilung gespeichert ist, und/oder programmtechnische Mittel im Computer (24, 26) vorhanden sind, die während des Betriebes der Beatmungseinrichtung (20) das Variationsmuster für eine variable Druckunterstützungsbeatmung generieren, wobei die zugehörigen Atemwegsdruckwerte p_Vn mit n = 1, 2, 3, ..., m einen zeitabhängigen, definierten Mittelwert bilden und wobei der endexspiratorischen Atemwegsdruck p₀ auf einem unteren Niveau mit p₀ ≠ const. = p_0V variabel oder mit p₀ = const. konstant einstellbar ist.
Beatmungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise in einem in die Beatmungseinrichtung (20) integrierbaren externen Computer (26) auch Variationsmuster des Unterstützungsdruckes in einem seiner externen Speicher (27) enthalten sind, mit dem eine zweite extern vorbereitete Variante der variablen Druckunterstützungsbeatmung durchführbar ist.
Beatmungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Variante mit dem externen Computer (26) dieser als so genannter Hauptcomputer eingesetzt ist, der den internen Computer (24) der Beatmungseinrichtung (20) ständig nach dem Beginn eines Atemzuges abfragt und die Höhen der zu erzeugenden Atemwegsdruckniveaus p_Vn des Unterstützungsdrucks liefert.
Beatmungseinrichtung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Druck- bzw. Strömungs-Generator (22), der für die Erzeugung des vorgegebenen Atemwegsdrucks p_Vn verantwortlich ist, und Druck- bzw. Strömungssensoren (23) enthält, welche die variable Druckunterstützungsbeatmung ständig überwachen.
Beatmungseinrichtung nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modul (36) zur Lieferung der Druckunterstützungsniveaus für die variable Druckunterstützungsbeatmung vorhanden ist, das entweder dem internen Computer (24) oder dem externen Computer (26) zugeordnet ist.