DE19714644A1

DE19714644A1 - Gasfördereinrichtung für Beatmungs- und Narkosegeräte

Info

Publication number: DE19714644A1
Application number: DE19714644A
Authority: DE
Inventors: Goetz Kullik
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: GB2324122B; DE19714644C2; SE9703616D0; US5875783A; SE522056C2; GB9801965D0; GB2324122A; SE9703616L

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasfördereinrichtung für Beatmungs- und Narkosegeräte in Form eines Radialverdichters mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln.

Derartige Radialverdichter sind im Prinzip bekannt sowie auch in spezieller Ausgestaltung für Beatmungsgeräte vorgeschlagen worden.

So geht aus der WO 87/01599 ein Radialverdichter hervor, zu dessen Antrieb unter Druck befindlicher Sauerstoff verwendet wird, um ein Sauerstoff-/Luft-Gemisch zum Patienten zu pumpen. Elektrisch angetriebene Beatmungs- oder Narkosegeräte ohne Druckgasversorgung für intermittierende Beatmung benutzen zumeist entweder Kolbenpumpen oder kontinuierlich betriebene Verdichter mit Ventilsteuerung. Großvolumige Kolbenpumpen können der Spontanatmung von Patienten nicht schnell genug folgen, kleine hochfrequent betriebene Kolben erzeugen unerwünschte Pulsationen im Atemgas. Kontinuierlich betriebene Verdichter benötigen eine externe pneumatische Beschaltung mit Ventilen und sind deshalb technisch aufwendig, außerdem ist dabei die Erwärmung des Atemgases unerwünscht. Daneben gibt es Geräte, die als zweiflutige Seitenkanal-Verdichter auf einem speziellen Wirkprinzip beruhen und aufgrund einer sehr komplizierten Einzelteilfertigung mit vielen Bauelementen intermittierende Beatmungsformen ohne zusätzliche Ventile ermöglichen. Infolge der stark geneigten Druck-Durchfluß-Kennlinien dieses Verdichtertypes sind die notwendigen Eigenschaften jedoch nur mit Hilfe einer aufwendigen Kennfeld-Steuerung und durch Einsatz eines Mikroprozessors erzielbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasfördereinrichtung für Beatmungs- und Narkosegeräte vorzuschlagen, die einfach aufgebaut und dabei extrem kompakt ist, keines zusätzlichen Ventils bedarf, einen vorgegebenen Atemwegsdruck schnell erreichen kann und so schnell zu steuern ist, daß sie für die spontane Atemunterstützung eines Patienten einsetzbar ist.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasfördereinrichtung nach Anspruch 1. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine Druckgasversorgung für die Verwendung der erfindungsgemäßen Gasfördereinrichtung erforderlich ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein extrem kompakter Radialverdichter bereitgestellt wird, der aus wenigen, teilweise auf dem Markt erhältlichen Bauteilen besteht, und der es erlaubt, in wenigen Millisekunden über die Steuerung des elektrischen Antriebsmotors einen großen Drehzahl- und Druckbereich abzudecken. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die erfindungsgemäße Gasfördereinrichtung für sehr unterschiedliche praktische Einsatzzwecke in der Patientenbeatmung geeignet, und zwar sowohl in Narkose- als auch in Beatmungsgeräten. Verschiedene Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Gasfördereinrichtung und deren Einsatz für die Narkose oder Beatmung werden anhand der Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Radialverdichters im Schnitt,

Fig. 2 das Kennfeld eines erfindungsgemäßen Radialverdichters,

Fig. 3 eine Beschaltung eines erfindungsgemäßen Radialverdichters für den Einsatz in der Notfallbeatmung oder in einem Beatmungsgerät für den häuslichen Bereich,

Fig. 4 eine Beschaltung für die Intensivbeatmung,

Fig. 5 eine erste Beschaltung für die Narkosebeatmung und

Fig. 6 eine zweite Beschaltung für die Narkosebeatmung.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Radialverdichter 10 im Schnitt. Das Verdichterrad 11 dreht sich im Uhrzeigersinn, dabei wird das Gas durch den Gaseinlaß 12 im Bereich der Drehachse angesaugt und über die rückwärts gekrümmten Schaufeln 13 und das Zentrifugalfeld nach außen beschleunigt. Im feststehenden, als Spiralgehäuse ausgebildeten Gehäuse 14 und im als Diffusor ausgebildeten Gasauslaß 15 wird das Gas verzögert und der Druck erhöht. Im Ausführungsbeispiel befinden sich die rückwärtsgekrümmten Schaufeln 13 auf einer ebenen Laufradscheibe aus Aluminium oder Kunststoff von etwa 1 bis 2 mm Wanddicke. Die Drehachse ist zentral auf der Laufradscheibe angeordnet, und der Gaseinlaß 12 erfolgt im Bereich der Drehachse von einer Seite durch eine Gasführung. Das Verdichterrad 11, also die Laufradscheibe mit den Schaufeln 13 wird durch planparallele Platten im Abstand der sich drehenden Laufradscheibe mit den Schaufeln 13 und dem Gehäuse 14 mit Gasauslaß 15 abgeschlossen. Um schnelle, für den Einsatz in der Beatmung oder Narkose erforderliche Druckänderungen von etwa 1 mbar pro ms zu erreichen, wurde festgestellt, daß der Radius des Verdichterrades 11 nicht größer als etwa 40 mm sein darf, wobei das Massenträgheitsmoment des Verdichterrades 11 maximal etwa 4 × 10^-6 kg × m² beträgt. Für besonders kompakte Anwendungen ist der Radius des Verdichterrades 11 nicht größer als etwa 25 mm und dessen Massenträgheitsmoment maximal etwa 2 × 10^-6 kg × m². Mit Hilfe eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors wurde ein Antrieb gefertigt, dessen Lebensdauer nur von der Lagerung begrenzt wird, und dessen pneumatische Einzelteile alle in einfachsten "Auf-Zu-Werkzeugen" gegossen oder gespritzt werden können. Die einfache Konstruktion der vom Gas durchströmten Bauteile erlaubt es, diese Teile im Feld zu demontieren, zu reinigen, zu sterilisieren und wieder zu montieren, so daß ein Einsatz im Patiententeil eines Narkosekreissystems möglich ist. Für die Anwendung im Atemsystem in der Intensivbeatmung und der Narkose sind die Kennlinien des Radialverdichters 10 sehr vorteilhaft (s. Fig. 2). Diese Eigenschaft des Radialverdichters 10 wird unter anderem durch eine starke Rückwärtskrümmung der Schaufeln 13 auf der Laufradscheibe erreicht. Die Schaufeln 13 enden am äußeren Umfang des Verdichterrades 11 nahezu tangential, also in einem Bereich von bis zu 20°, vorzugsweise etwa 10° abweichend von der Tangente. Die geringe Abnahme des Druckes bei Lieferung der in der Beatmung notwendigen Gasflüsse erlaubt es, alle druckkontrollierten Atemmuster über eine sehr einfache Drehzahlsteuerung zu verwirklichen. Die Drehzahlsteuerung ist so einfach, weil der elektronisch kommutierte Motor über Drehzahlsensoren zur Steuerung seines Drehfeldes verfügt. Dabei ist das System völlig offen, d. h. der Patient kann auf jedem Druckniveau beliebig spontan atmen. Auch bei Stillstand des Verdichterrades 11 ist das System offen, so daß kein Luftventil erforderlich ist. Um die Eigenschaft der "offenen Durchatembarkeit" zu erreichen, beträgt der Druckverlust des Radialverdichters 10 bei einem Durchfluß von 60 Liter pro Minute und stillstehendem Verdichterrad 11 weniger als 4 mbar. Dabei sind eine Schaufelhöhe von mindestens etwa 4 mm in der Mitte, eine Verrundung der rechtwinkligen Strömungsumlenkung am Ansaugstutzen für den Gaseinlaß 12 und ein schlanker Diffusor als Gasauslaß 15 mit einem Öffnungswinkel von maximal 6° von Bedeutung, wie Versuche ergeben haben. Insgesamt wird eine äußerst variable Gasfördereinrichtung in Form eines Radialverdichters 10 bereitgestellt, die als dynamisch drehzahlvariabler Antrieb eines Beatmungs- bzw. Narkosegerätes ohne zusätzliches Dosierventil vielseitig einsetzbar ist.

Fig. 2 zeigt das Kennfeld eines Radialverdichters 10. Aufgetragen ist der Differenzdruck zwischen Gaseinlaß 12 im Bereich der Drehachse und Gasauslaß 15 über dem Durchfluß durch den Radialverdichter 10 für vier verschiedene Drehzahlen. Das schraffierte Feld 20 zeigt die in Beatmungsgeräten benötigten Drucke (0 bis 100 mbar) und Durchflüsse (0 bis 200 Liter pro Minute). Man kann erkennen, daß die Kennlinien im interessierenden Bereich fast waagerecht verlaufen, d. h., daß der Druck praktisch nur von der Drehzahl und nicht vom gelieferten Durchfluß abhängt.

Fig. 3 zeigt eine Beschaltung des Radialverdichters 10 für den Einsatz in der Notfallmedizin oder für den Homecare-Bereich. Der Radialverdichter 10 saugt aus der Atmosphäre 30 Umgebungsluft über ein Bakterienfilter 31 und ein Gasspeichervolumen 32 an. Sauerstoff wird über die Leitung 33 kontinuierlich drucklos eingespült. Da der Radialverdichter 10 während der Ausatmung des Patienten 34 nicht fördert, strömt der zu dieser Zeit gelieferte Sauerstoff in das Gasspeichervolumen 32 und steht für den nächsten Einatemhub zur Verfügung. Der Einatemfluß wird im Durchflußsensor 35 gemessen und die gemessenen Daten können in der Verdichterelektronik 36 mit Antriebsmotor für die Steuerung volumenorientierter Beatmungsformen verwendet werden. Das Einatemgas gelangt durch ein Rückschlagventil 37 in den Patienten 34, sofern der Druck in der Einatemleitung 42 und der Steuerleitung 43 höher ist als in der Patientenlunge, da in diesem Zustand die Membran 38 den Ventilteller 39 auf den Krater 40 drückt. Sobald sich die Druckverhältnisse zwischen Einatemleitung 42 und Patient 34 entweder durch Drehzahlverringerung im Radialverdichter 10 oder durch Ausatemanstrengung des Patienten 34 umkehren, öffnet der Ventilteller 39, und der Patient 34 kann über das Rückschlagventil 41 an die Atmosphäre 30 ausatmen, bis der Druck der Einatemleitung 42 unterschritten ist. Mit dieser Beschaltung kann der Patient 34 auf jedem Druckniveau spontan atmen.

Fig. 4 zeigt eine Beschaltung für die Intensivbeatmung. Das Ausatemventil 44 entspricht dem Patientenventil 38, 39, 40 in Fig. 3. Das Ausatemventil 44 wird nur von Ausatemgas durchströmt, alle anderen Funktionen sind gleich denen in Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine Beschaltung des Radialverdichters 10 für die Narkose. Der Radialverdichter 10 mit Antriebsmotor saugt während der Einatmung eine Mischung aus Sauerstoff, Lachgas und verdampftem Narkosemittel aus der Frischgasleitung 50 mit Rückschlagventil und Atemgas aus dem Handbeatmungsbeutel 51 über den Kohlendioxidabsorber 52 an. Das Einatemgas gelangt durch das Rückschlagventil 53 zum Patienten 34, sofern der Druck dort niedriger ist als am Verdichter und damit das Ausatemventil 44 über die Steuerleitung 54 verschlossen ist. Sobald sich die Druckverhältnisse umkehren, öffnet das Ausatemventil 44 und das Gas strömt durch die Rückschlagventile 55 und 56 in den Handbeatmungsbeutel 51, bis dieser vollständig gefüllt ist und darin ein Druck von 2 mbar überschritten wird. Dann strömt das Ausatemgas über das Rückschlagventil 59 in die Narkosegasfortleitung 57, bis die nächste Einatmung beginnt. Während der Handbeatmung wird der Kreislauf vom Handbeatmungsbeutel 51 angetrieben, das Ventil 58 begrenzt den Atemwegsdruck. Handbeatmung auf einem erhöhten Druckniveau ist bei laufendem Radialverdichter 10 möglich. Der Einatemfluß wird im Durchflußsensor 35 gemessen und die gemessenen Daten können in der Verdichterelektronik 36 mit Antriebsmotor für die Steuerung volumenorientierter Beatmungsformen verwendet werden. Mit dieser Beschaltung kann der Patient 34 auf jedem Druckniveau spontan atmen.

Fig. 6 zeigt eine zweite Beschaltung des Radialverdichters 10 für die Narkose. Der Radialverdichter 10 saugt während der Einatmung eine Mischung aus Sauerstoff, Lachgas und verdampftem Narkosemittel aus der Frischgasleitung 50 und Atemgas aus dem Handbeatmungsbeutel 51 an. Das Einatemgas gelangt über den Kohlendioxidabsorber 52 und durch das Rückschlagventil 53 zum Patienten 34, sofern der Druck dort niedriger ist als am Radialverdichter 10. Sobald sich die Druckverhältnisse umkehren, strömt das Gas durch das Rückschlagventil 55 und durch den Radialverdichter 10 in den Handbeatmungsbeutel 51. Die Entlastung des Kreises erfolgt über den Widerstand 61 in die Narkosegasfortleitung 57, d. h. für automatische Beatmung muß der Schalter 60 in der gestrichelten Stellung sein. Während der Handbeatmung wird der Kreislauf vom Handbeatmungsbeutel 51 angetrieben, das Ventil 58 begrenzt den Atemwegsdruck. Handbeatmung auf einem erhöhten Druckniveau ist bei laufendem Radialverdichter 10 möglich. Der Einatemfluß wird im Durchflußsensor 35 gemessen und die gemessenen Daten können in der Verdichterelektronik 36 mit Antriebsmotor für die Steuerung volumenorientierter Beatmungsformen verwendet werden. Auch mit dieser Beschaltung kann der Patient 34 auf jedem Druckniveau spontan atmen.

Claims

1. Gasfördereinrichtung für Beatmungs- und Narkosegeräte in Form eines Radialverdichters mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln mit folgenden Merkmalen:

a) Das Verdichterrad (11) ist in einem feststehenden Gehäuse (14) angeordnet, der Gaseinlaß (12) befindet sich im Bereich der Drehachse des Verdichterrades (11) und die Schaufeln (13) verlaufen vom Gaseinlaß (12) im Bereich der Drehachse bis zum kreisförmigen Außenrand des Verdichterrades (11) und enden im wesentlichen tangential am kreisförmigen Außenrand,
b) der freie Gasströmungsweg zwischen Außenrand des Verdichterrades (11) und Innenwand des Gehäuses (14) geht in Gasströmungsrichtung in den Gasauslaß (15) der Gasfördereinrichtung über,
c) und das durch einen Elektromotor angetriebene Verdichterrad (11) weist einen Radius von maximal 40 mm und ein Massenträgheitsmoment von maximal etwa 4 × 10^-6 kg × m² auf.

2. Gasfördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens sechs, vorzugsweise acht bis zwölf Schaufeln (13) des Radialverdichters (10) eine Höhe parallel zur Drehachse des Verdichterrads (11) von mindestens 4 mm haben und das Verdichterrad (11) einen Radius von maximal 25 mm und ein Massenträgheitsmoment von maximal etwa 2 × 10^-6 kg × m² aufweist.

3. Gasfördereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Differenzdruckbereich, gemessen zwischen Gaseinlaß (12) im Bereich der Drehachse des Verdichterrades (11) und Gasauslaß (15) bis höchstens 100 mbar bei einem Gasvolumenstrom von maximal 200 Liter pro Minute verwendet wird.

4. Gasfördereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Beatmungsgerät angeordnet ist, mit einem vorgeschalteten Gasspeichervolumen (32) mit Verbindung zur Umgebungsluft (30) verbunden ist, eine Sauerstoffzuführung zwischen Speichervolumen (32) und Radialverdichter (10) über eine Leitung (33) aufweist, mit einem nachgeschalteten Durchflußsensor (35) mit einer zugehörigen Radialverdichterelektronik (36) für die Steuerung des Radialverdichters (10) versehen ist sowie über ein Rückschlagventil (37) mit nachfolgendem Ausatemventil (38, 39, 40) mit dem Patienten (34) verbunden ist, wobei über ein an das Ausatemventil (38, 39, 40) anschließendes Rückschlagventil (41) zur Ausatmung des Patienten (34) Verbindung mit der Umgebungsluft (30) besteht.

5. Gasfördereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Beatmungsgerät angeordnet ist, mit einem vorgeschalteten Gasspeichervolumen (32) mit Verbindung zur Umgebungsluft (30) verbunden ist, eine Sauerstoffzuführung zwischen Speichervolumen (32) und Radialverdichter (10) über eine Leitung (33) aufweist, mit einem nachgeschalteten Durchflußsensor (35) mit einer zugehörigen Radialverdichterelektronik (36) für die Steuerung des Radialverdichters (10) versehen ist sowie mit einer an den Durchflußsensor (35) anschließenden Inspirationsleitung mit Rückschlagventil zum Patienten (34) sowie einer Exspirationsleitung mit Rückschlagventil zum Ausatemventil (44), welches nur von Ausatemgas durchströmt wird und mit der Umgebungsluft (30) sowie mit dem Ausgang des Radialverdichters (10) verbunden ist.

6. Gasfördereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Narkosegerät angeordnet ist, mit einer Frischgasleitung (50) mit Rückschlagventil zum Radialverdichter (10) versehen ist, dem Radialverdichter (10) nachgeschaltet ist ein Durchflußsensor (35) mit einer zugehörigen Radialverdichterelektronik (36) für die Steuerung des Radialverdichters (10), an den Durchflußsensor (35) schließt eine Inspirationsleitung mit Rückschlagventil (53) zum Patienten (34) an, eine Exspirationsleitung mit Rückschlagventil (55) ist mit dem Ausatemventil (44) verbunden, welches für die Ausatmung durch den Patienten (34) über mindestens ein Rückschlagventil (59) mit der Narkosegasfortleitung (57) sowie parallel dazu über einen Handbeatmungsbeutel (51) sowie einen Kohlendioxidabsorber (52) mit der Frischgasleitung (50) verbunden ist.

7. Gasfördereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Narkosegerät angeordnet ist, wobei dem Radialverdichter (10) sowohl die Frischgasleitung (50) mit einem Rückschlagventil und mit einem Handbeatmungsbeutel (51) als auch eine Narkosegasfortleitung (57) mit einem Rückschlagventil (58) und einem parallelen Strömungswiderstand (61) eingangsseitig vorgeschaltet sind, und dem Radialverdichter (10) ausgangsseitig nachgeschaltet sind ein Durchflußsensor (35) mit einer zugehörigen Radialverdichterelektronik (36) für die Steuerung des Radialverdichters (10) sowie eine zum Patienten (34) führende Inspirationsleitung mit einem Kohlendioxidabsorber (52) und einem Rückschlagventil (53) sowie eine vom Patienten wegführende Exspirationsleitung mit einem Rückschlagventil (55).