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DE10217762C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Atemgasversorgung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Atemgasversorgung

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DE10217762C1
DE10217762C1 DE10217762A DE10217762A DE10217762C1 DE 10217762 C1 DE10217762 C1 DE 10217762C1 DE 10217762 A DE10217762 A DE 10217762A DE 10217762 A DE10217762 A DE 10217762A DE 10217762 C1 DE10217762 C1 DE 10217762C1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung einer Beatmungsvorrichtung mit einem daran angeschlossenen Patienten sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Steuerung. Als Parameter kommen zum Beispiel der Beatmungsdruck, der von der Beatmungsvorrichtung erzeugte Atemgasstrom sowie die Beatmungsfrequenz in Frage. DOLLAR A Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Steuerung den aktuellen Beatmungsbedürfnissen des Patienten Rechnung trägt, indem der Muskeldruck P¶MUS¶, das ist der durch die Eigenanstrengung des Patienten verursachte Anteil am Atemwegsdruck, auf einem Wert nahe bei Null gehalten wird. DOLLAR A Zu diesem Zweck wird zunächst ein Atemwegsdruck P¶AWC¶ aus zuvor gemessenen Werten für den Atemwegsdruck P¶AW¶ und den Atemgasstrom d/dt V und den daraus bestimmten mechanischen Parametern Resistance R¶L¶ und Compliance C der Patientenlunge berechnet, der anschließend mit dem tatsächlich gemessenen Wert für den Atemwegsdruck P¶AW¶ verglichen wird. Anschließend erfolgt eine Steuerung des mindestens einen Parameters der Atemgasversorgung der Beatmungsvorrichtung auf der Grundlage des Vergleichs zwischen P¶AWC¶ und P¶AW¶, ausgedrückt als Muskeldruck P¶MUS¶ = P¶AWC¶ - P¶AW¶.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung einer Beatmungsvorrichtung mit einem daran ange­ schlossenen Patienten sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Steuerung.
Die Parameter der Atemgasversorgung durch die Beatmungsvorrichtung wie beispielsweise der Beatmungsdruck, der Atemgasstrom oder die Beatmungsfrequenz werden in der Regel zuvor festgelegt und dann in größeren zeitlichen Abständen auf ihre Gültigkeit hin überprüft. Ändert sich der Beatmungsbedarf des Patienten, so findet dies während der Behandlung dann Berücksichtigung, wenn nach einer neuerlichen Überprüfung des Beatmungsbedarfs die Parameter der Atemgasversorgung entsprechend angepasst werden. Es ergibt sich daher eine Atemgasversorgung, die unter Umständen nicht ununterbrochen an den aktuellen Bedürfnissen des Patienten orientiert ist.
Aus der DE 198 08 543 C2 ist ein Verfahren bekannt, durch das sowohl bei Spontanatmung als auch bei maschineller Beatmung die mechanischen Eigenschaften Compliance, Resistance und schließlich der Muskeldruck des respiratorischen Systems eines Patienten bestimmt werden können, wobei seine Atmung nur minimal gestört wird. Die Compliance ist der Quotient aus dem verschobenen Atemgasvolumen und der Änderung des Atemwegdrucks, die Resistance ist der Quotient aus der Änderung des Atemwegdrucks und der Änderung des Atemgasstroms. Unter dem Muskeldruck versteht man den durch die Eigenanstrengung des Patienten verursachten Anteil am Atemwegsdruck. Mit dem Verfahren ist es möglich, eine kontinuierliche Ermittlung des Muskeldrucks des Patienten und somit eine Überwachung der Stärke seiner Spontanatmung durchzuführen. Zu diesem Zweck wird zu verschiedenen Zeitpunkten während einzelner Atemhübe für kurze Zeit eine Okklusion herbeigeführt, während der die Beatmung beziehungsweise Spontanatmung des Patienten durch Schließen entsprechender Ventile an einem zum Patienten führenden Atemschlauch unterbrochen wird. Aus den gemessenen Werten für den Atemwegsdruck und den Atemgasstrom lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Lunge bestimmen. Aus diesen Größen wiederum ermittelt man den Muskeldruck.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung für einen Patienten anzugeben, welche dem aktuellen Zustand seines respiratorischen Systems Rechnung trägt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Schritten von Anspruch 9 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 8.
Erfindungsgemäß werden dabei die gemessenen Werte für den Atemwegsdruck PAW und den Atemgasstrom d/dt V kontinuierlich zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems des Patienten, das heißt der Resistance RL und der Compliance C seiner Lunge, und schließlich für die Ermittlung des Muskeldrucks PMUS herangezogen.
Bei dem Verfahren zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung einer Beatmungsvorrichtung mit einem daran angeschlossenen Patienten erfolgt während einer ersten Exspirationsphase eine kurzzeitige Störung der Atemgasversorgung. Vor und während der Störung werden jeweils der Atemwegsdruck PAW und der Atemgasstrom d/dt V gemessen. Daraus wird die Resistance RL der Patientenlunge bestimmt.
Während einer zweiten, ungestörten Exspirationsphase werden ebenfalls der Atemwegsdruck PAW und der Atemgasstrom d/dt V gemessen. Aus diesen Werten sowie aus der im vorangegangenen Schritt bestimmten Resistance RL wird die Compliance C der Patientenlunge bestimmt.
In den darauffolgenden Atemzügen wird jeweils der Atemgasstrom d/dt V gemessen. Zusammen mit den zuvor bestimmten Werten für die Resistance RL und die Compliance C wird daraus ein Atemwegsdruck PAWC berechnet.
Anschließend wird der Muskeldruck PMUS, das ist der durch die Eigenanstrengung des Patienten verursachte Anteil am Atemwegsdruck, als Differenz aus dem berechneten Atemwegsdruck PAWC und dem tatsächlich gemessenen Atemwegsdruck PAW ermittelt. In Abhängigkeit von dem ermittelten Muskeldruck PMUS erfolgt nun die eigentliche Steuerung. Dabei wird der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung so verändert, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen erhöht wird, wenn der Muskeldruck PMUS über einem Sollwert P0 liegt, und es wird der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung so verändert, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen vermindert wird, wenn der Muskeldruck PMUS unter dem Sollwert P0 liegt, solange, bis der Muskeldruck PMUS den Sollwert P0 erreicht hat.
Erhält man auf diese Weise beispielsweise einen positiven Wert für PMUS während der Inspirationsphasen und einen Wert von PMUS nahe bei Null in den Exspirationsphasen, so ist das ein Hinweis darauf, dass ein größerer Beatmungsdruck oder Atemgasstrom für eine erhöhte Atemgasversorgung erforderlich ist. Ist PMUS darüber hinaus schon positiv vor dem Beginn einer Inspirationsphase, so ist unter Umständen eine Erhöhung der Beatmungsfrequenz zweckmäßig.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem mindestens einen Parameter um den Beatmungsdruck, das ist der durch die Beatmungsvorrichtung erzeugte Atemwegsdruck. Darüber hinaus können als Parameter der durch die Beatmungsvorrichtung erzeugte Atemgasstrom sowie die von der Beatmungsvorrichtung vorgegebene Beatmungsfrequenz herangezogen werden. Die kurzzeitige Störung der Atemgasversorgung des Patienten kann in einer Okklusion der Atemwege des Patienten bestehen oder aber auch in einer Änderung des Beatmungsdrucks.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung einer Beatmungsvorrichtung mit einem daran ange­ schlossenen Patienten ist zur Herbeiführung einer kurzzeitigen Störung der Atemgasversorgung während einer Exspirationsphase ausgebildet. Sie weist einen ersten Sensor zur Messung des Atemwegsdrucks PAW und einen zweiten Sensor zur Messung des Atemgasstroms d/dt V auf. Darüber hinaus dient eine Auswerte- und Steuereinheit zur Bestimmung der Resistance RL und der Compliance C der Patientenlunge aus dem vom ersten Sensor gemessenen Atemwegsdruck PAW und dem vom zweiten Sensor gemessenen Atemgasstrom d/dt V. Aus weiteren Messwerten für den Atemgasstrom d/dt V sowie aus der zuvor bestimmten Resistance RL und der Compliance C berechnet die Auswerte- und Steuereinheit einen Atemwegsdruck PAWC . Schließlich wird der Muskeldruck PMUS ermittelt, das ist der durch die Eigenanstrengung des Patienten verursachte Anteil am Atemwegsdruck. Er wird von der Auswerte- und Steuereinheit als Differenz aus dem berechneten Atemwegsdruck PAWC zu dem tatsächlich gemessenen Atemwegsdruck PAW ermittelt. Die Auswerte- und Steuereinheit verändert daraufhin den mindestens einen Parameter der Atemgasversorgung in der bereits oben beschriebenen Weise.
Die Störung in einer Exspirationsphase des Patienten wird nach Möglichkeit immer nur kurzzeitig sein und beispielsweise im Bereich von einigen wenigen hundert Millisekunden, vorzugsweise bei ungefähr 200 Millisekunden, liegen, um die Beatmung des Patienten minimal zu beeinträchtigen. Die Störungen in ihrer Abfolge werden nach einem zeitlichen Muster durchgeführt und treten zum Beispiel einmal oder mehrmals pro Minute auf. Als Vorteil erweist es sich dabei, die einzelnen Störungen jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten bezogen auf die einzelnen Exspirationsphasen zu veranlassen, da durch diese Streumaßnahme die Zuverlässigkeit der Messungen erhöht wird.
Die Erfindung macht sich den Umstand zu Nutze, dass der Muskeldruck PMUS ein aussagekräftiger Wert ist, wenn es darum geht, Informationen über die Atemanstrengungen des Patienten zu erhalten. Wird der Muskeldruck PMUS auf einem vorgegebenen Wert gehalten, der in der Praxis zumeist Null oder aber sehr gering ist, so ist auf diese Weise gewährleistet, dass der Patient wenig eigene Atemanstrengungen aufbringen muss und das sogenannte "ventilator fighting" vermieden wird.
Im Folgenden wird beschrieben, wie aus den gemessenen Werten für den Atemwegsdruck PAW und dem Atemgasstrom d/dt V die Resistance RL und die Compliance C der Patientenlunge bestimmt werden sowie schließlich der Muskeldruck PMUS ermittelt wird.
Ausgangspunkt ist die folgende Grundgleichung:
wobei mit V das verschobene Atemgasvolumen bezeichnet wird.
PEEPt = PEEPIN + PEEPEX ist der gesamte positive endexspiratorische Druck, welcher sich zusammensetzt aus dem intrinsischen PEEPIN, der aus dem in der Lunge des Patienten nach vollständiger Ausatmung verbliebenen Gasvolumen resultiert, und dem externen PEEPEX, der durch die Beatmungsvorrichtung vorgegeben ist. (Zur Aufteilung des gesamten PEEPt in die beiden Anteile PEEPIN und PEEPEX vergleiche beispielsweise die US 6,015,388.)
Zunächst wird die Resistance RL als Quotient aus der Differenz zweier gemessener Atemwegsdrücke PAW1 und PAW2 und der Differenz zweier jeweils zu denselben Zeitpunkten gemessenen Atemgasströme (d/dt V)1 und (d/dt V)2 bestimmt:
Die Messungen PAW1 und (d/dt V)1 erfolgen vor und die Messungen PAW2 und (d/dt V)2 erfolgen während einer kurzzeitigen Störung in einer Exspirationsphase. Besteht die Störung in einer Okklusion, so wird der Atemgasstrom (d/dt V)2 zu Null, und für die Lungenresistance RL ergibt sich:
Sodann werden die externe Resistance Rex und der externe PEEPex aus der folgenden Beziehung ermittelt:
PAW = -Rex.d/dt V + PEEPEX.
Die externe Resistance Rex ist die durch den Widerstand im Exspirationszweig der Beatmungsvorrichtung bedingte Resistance, die zusammen mit der Resistance RL der Patientenlunge die gesamte Resistance ergibt.
Die obige Beziehung geht auf die Grundgleichung für den Sonderfall einer Exspiration zurück. Indem man mindestens zwei Messungen für den Atemwegsdruck PAW und den Atemgasstrom d/dt V durchführt, erhält man ausreichend viele Bestimmungsgleichungen für die externe Resistance Rex und den externen PEEPEX.
Je mehr Messungen man durchführt, umso bessere Möglichkeiten hat man, mit Näherungsverfahren zuverlässige Werte für Rex und den externen PEEPEX zu erlangen.
Für den Atemgasstrom d/dt V und das während einer Exspiration verschobene Ausatemgasvolumen Vex gilt folgender Zusammenhang:
mit der Ausatemzeitkonstanten τ und einem Anfangswert (d/dt V)to zum Zeitpunkt to.
Hier führen mehrere Messungen für den Atemgasstrom d/dt V zu ausreichend vielen Bestimmungsgleichungen für die Ausatemzeitkonstante τ und den Anfangswert (d/dt V)to. Mit zusätzlichen Messungen lassen sich wie im Fall oben Näherungslösungen von höherer Zuverlässigkeit ermitteln.
Nun lässt sich die Compliance C bestimmen aufgrund der Beziehung
Den intrinsischen PEEPIN erhält man durch
wobei Vee ein während einer vollständigen Exspiration verschobenes Ausatemgasvolumen bezeichnet. Der Ausdruck τ.(d/dt V)to - Vee bezeichnet das sogenannte Hyperinflationsvolumen.
An dieser Stelle ist es möglich, unter Verwendung der zuvor bestimmten Größen und mit weiteren Messwerten für den Atemgasstrom d/dt V einen Atemwegsdruck PAWC zu berechnen. Darüber hinaus erhält man einen Wert für den Atemwegsdruck PAW durch Messung. Der Muskeldruck PMUS ergibt sich als Differenz aus dem berechneten zum gemessenen Atemwegsdruck:
PMUS = PAWC - PAW.
Die hier angegebenen Rechenschritte, die auf einen Wert für PMUS führen, haben Beispielscharakter. Grundlegendes Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, das auch bei abgewandelten Rechenschritten Anwendung findet, ist die Berechnung eines Atemwegsdrucks PAWC aus zuvor gemessenen Werten für den Atemwegsdruck PAW und den Atemgasstrom d/dt V und den daraus bestimmten mechanischen Parametern des respiratorischen Systems des Patienten, der anschließende Vergleich mit einem tatsächlich gemessenen Wert für den Atemwegsdruck PAW und schließlich eine Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen beiden Werten, ausgedrückt als Muskeldruck PMUS.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine Beatmungsvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Ein Ventilator 100 versorgt einen an die Beatmungsvorrichtung angeschlossenen Patienten 300 mit Atemgas. Eine kurzzeitige Störung der Atemgasversorgung, beispielsweise durch eine Okklusion der Atemwege herbeigeführt, erfolgt durch eine Störeinrichtung 101 im Exspirationszweig der Beatmungsvorrichtung. In der Beatmungsvorrichtung angeordnet ist ein erster Sensor 200, der den Atemwegsdruck PAW misst. Der Atemgasstrom d/dt V wird von einem zweiten Sensor 201 gemessen, der ebenfalls in der Beatmungsvorrichtung angeordnet ist. Die vom ersten Sensor 200 und vom zweiten Sensor 201 gemessenen Werte werden an eine Auswerte- und Steuereinheit 800 weitergegeben. Dort werden aus den gemessenen Werten zunächst die Resistance RL und die Compliance C der Patientenlunge, anschließend ein Atemwegsdruck PAWC berechnet. Die Auswerte- und Steuereinheit 800 vergleicht den berechneten Atemwegsdruck PAWC mit dem vom ersten Sensor 200 tatsächlich gemessenen Atemwegsdruck PAW. Ist der Muskeldruck PMUS = PAWC - PAW positiv, so wird der Ventilator 100 von der Auswerte- und Steuereinheit 800 in der Weise angesteuert, dass der Beatmungsdruck erhöht wird. Ist PMUS = PAWC - PAW negativ, so wird der vom Ventilator 100 erzeugte Beatmungsdruck vermindert. Erst wenn der Muskeldruck PMUS nahe bei Null liegt, wird der Beatmungsdruck beibehalten.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung einer Beatmungsvorrichtung mit einem daran angeschlossenen Patienten (300), wobei
  • a) während einer ersten Exspirationsphase eine kurzzeitige Störung der Atemgasversorgung erfolgt, der Atemwegsdruck PAW und der Atemgasstrom d/dt V vor und während der Störung gemessen werden und die Resistance RL der Patientenlunge als Quotient aus der Änderung des Atemwegsdrucks PAW und der Änderung des Atemgasstroms d/dt V bestimmt wird,
  • b) während einer zweiten ungestörten Exspirationsphase der Atemwegsdruck PAW und der Atemgasstrom d/dt V gemessen werden und daraus sowie aus der Resistance RL die Compliance C der Patientenlunge bestimmt wird,
  • c) während der folgenden Atemzüge jeweils der Atemgasstrom d/dt V gemessen wird und zusammen mit der Resistance RL und der Compliance C daraus ein Atemwegsdruck PAWC berechnet wird,
  • d) ein Muskeldruck PMUS als Differenz aus dem berechneten Atemwegsdruck PAWC und dem tatsächlich gemessenen Atemwegsdruck PAW ermittelt wird,
  • e) der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung so verändert wird, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen erhöht wird, wenn der Muskeldruck PMUS über einem Sollwert Po liegt, und der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung so verändert wird, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen vermindert wird, wenn der Muskeldruck PMUS unter dem Sollwert Po liegt, solange, bis der Muskeldruck PMUS den Sollwert Po erreicht hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter der Beatmungsdruck ist, das ist der durch die Beatmungsvorrichtung erzeugte Atemwegsdruck.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter der durch die Beatmungsvorrichtung erzeugte Atemgasstrom d/dt V ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter die von der Beatmungsvorrichtung vorgegebene Beatmungsfrequenz ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzzeitige Störung durch eine Okklusion der Atemwege des Patienten (300) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzzeitige Störung durch eine Änderung des Beatmungsdrucks erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzzeitigen Störungen nach einem zeitlichen Muster durchgeführt werden, nach dem sie jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten bezogen auf eine einzelne Exspirationsphase veranlasst werden.
8. Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung einer Beatmungsvorrichtung mit einem daran angeschlossenen Patienten (300),
  • a) welche zur Herbeiführung einer kurzzeitigen Störung der Atemgasversorgung während einer Exspirationsphase ausgebildet ist,
  • b) mit einem ersten Sensor (200) zur Messung des Atemwegsdrucks PAW und einem zweiten Sensor (201) zur Messung des Atemgasstroms d/dt V,
  • c) einer Auswerte- und Steuereinheit (800) zur Bestimmung der Resistance RL und der Compliance C der Patientenlunge aus dem vom ersten Sensor (200) gemessenen Atemwegsdruck PAW und dem vom zweiten Sensor (201) gemessenen Atemwegsstrom d/dt V, zur Berechnung eines Atemwegsdrucks PAWC aus der Resistance RL, der Compliance C und dem gemessenen Atemgasstrom d/dt V, zur Ermittlung eines Muskeldrucks PMUS als Differenz aus dem berechneten Atemwegsdruck PAWC zu dem tatsächlich gemessenen Atemwegsdruck PAW,
  • d) wobei der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung von der Auswerte- und Steuereinheit (800) so verändert wird, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen erhöht wird, wenn der Muskeldruck PMUS über einem Sollwert Po liegt, und der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung von der Auswerte- und Steuereinheit (800) so verändert wird, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen vermindert wird, wenn der Muskeldruck PMUS unter dem Sollwert Po liegt, solange, bis der Muskeldruck PMUS den Sollwert Po erreicht.
9. Verfahren zur Steuerung mindestens eines Parameters der Atemgasversorgung einer Beatmungsvorrichtung mit einem daran angeschlossenen Patienten (300), wobei
  • a) in mehreren Exspirationsphasen der Atemwegsdruck PAW und der Atemgasstrom d/dt V gemessen werden und daraus die Resistance RL und die Compliance C der Patientenlunge bestimmt werden,
  • b) während darauffolgender Atemzüge der Atemgasstrom d/dt V gemessen und zusammen mit der Resistance RL und der Compliance C daraus ein Atemwegsdruck PAWC berechnet wird,
  • c) ein Muskeldruck PMUS als Differenz aus dem berechneten Atemwegsdruck PAWC und dem tatsächlich gemessenen Atemwegsdruck PAW ermittelt wird,
  • d) der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung so verändert wird, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen erhöht wird, wenn der Muskeldruck PMUS über einem Sollwert Po liegt, und der mindestens eine Parameter der Atemgasversorgung so verändert wird, dass die Atemgasversorgung während der weiteren Inspirationsphasen vermindert wird, wenn der Muskeldruck PMUS unter dem Sollwert Po liegt, solange, bis der Muskeldruck PMUS den Sollwert Po erreicht hat.
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