DE2831313A1

DE2831313A1 - Geraet zur unterstuetzung der atmung und/oder kuenstlichen beatmung

Info

Publication number: DE2831313A1
Application number: DE19782831313
Authority: DE
Inventors: Erik Dr Schwanbom; Detlef Ing Grad Warnow
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1978-07-17
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1980-02-07
Also published as: CH649714A5; US4265237A; SE7906135L; GB2025240B; GB2025240A; FR2431292A1

Description

Dräqerwerk Aktiengesellschaft Moislinger Allee 53-55, 2400 Lübeck Gerät zur Unterstützung der Atmung und/oder künstlichen

3eatmunq

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Unterstützung der Atmung entsprechend dem Gattungsbegriff des Anspruches

Die bekannten Beatmungsgeräte werden entsprechend dem Atemrhythmus gesteuert, wobei die Beatmungsfrequenz Werte zwischen 1 und 70/min haben kann. Das Gerät nach der Erfindung soll die Atmung durch Zufuhr von Atemgas zu der Lunge mit Beatmunasfrequenzen, die auch wesentlich höher als die Atemfrequenz sein können, unterstützen oder ersetzen. Hierbei werden Beatmungsfrequenzen bis zu 600/min bei Taktverhältnissen von Inspirationszeit zu Exspirationszeit von 3:1 bis 1:5 benutzt. Sie werden durch pneumatische Steuerungen, aufgebaut mit Hilfe von statisch-logischen Steuerelementen erreicht.

Es ist ein mit fluidischen Elementen gesteuertes Beatmungsgerät bekannt, mit dem die Beatmung mit mehrfach bis vielfach innerhalb der Zeitkonstante der Lunae . periodisch wiederholten Insoirationsphasen durchgeführt wird. Die

909886/0028

Inspirationsphasen sind über Zeitrelais gesteuert, der Druckschalter, angesteuert vom Druck in der Trachea, kann die Inspirationsphase nach Erreichen eines eingestellen Maximaldruckes beenden und auf Exspiration umschalten.

Dieses bekannte Gerät verwendet pneumatische Wandstrahlelemente, die einen hohen Gasverbrauch haben. Die Beatmungsfrequenzen können nicht direkt eingestellt werden; sie müssen über die getrennt einzustellenden Inspirations- und Exspirationszeiten errechnet werden. (Klain M, Smith R3: Fluidic technology, Anaesthesia 31:750, 1976).

Es ist ein Gerät zur Unterstützung der Atmung oder künstlichen Beatmung bekannt, das aus einem unter Überdruck zu setzenden Raum besteht, an den ein Trachealtubus angeschlossen ist. Dieser Raum wird über ein Einblasrohr, das mit dem Atemgasvorrat verbunden ist, unter Überdruck gesetzt. Das Atemgas wird über ein Strahlrohr, das parallel zur Tubusachse an der Innenwand angeordnet ist, zugeführt. Der Raum besitzt dem Anschluß des Trachealtubus gegenüber eine öffnung nach außen. Diese Öffnung wird durch die Injektorwirkung des Einblasrohres abgeriegelt.

Das über das Strahlrohr zugeführte Atemgas wird durch ein Steuergerät, ausgerüstet mit Fluidic-Elementen, im Atemrhythmus zugeführt. Die Druckabhängigkeit wird dabei über eine Sensorleitung, die in einem Abstand hinter der Einblaseöffnung des Strahlrohres angeschlossen ist, erreicht.

Die in dem Steuergerät verwendeten Fluidic-Elemente verursachen eine hohen Gasverbrauch. (DE-OS 26 03 063).

909886/0028

Aufgabe der Erfindung ist eine an das Gerät angepaßte Beatmungssteuerung mit geringem Gasverbrauch. Die Beatmungsfrequenz soll direkt mit einem Einstellorgan einstellbar sein, ohne dabei das Taktverhältnis Inspiration/Exspiration zu verschieben.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Kennzeichen der Patentansprüche.

Die mit der Lösung erzielten Vorteile gestatten die Zufuhr des Atemgases zeitgesteuert im gewünschten Beatmungsrhythmus. Mittels des Dosierventils ist ohne Störung des Beatmungsrhythmus die Atemgasmenge nach Wunsch regulierbar. Umgekehrt ist es ohne Änderung der Atemgasmenge möglich, die Beatmungsfrequenz mit einem Einstellorgan einzustellen, ohne dabei das Taktverhältnis Inspiration/Exspiration zu verschieben. Das pneumatische Signal aus einem Vergleich des im Tracheal tubus, also praktisch im Atemweg, entnommenen Gasdruckes mit einem einstellbaren Grenzdruck öffnet über die Drucksteuerung die Verbindung zwischen dem Frequenzsteuergerät und dem Inspirationsventil. Damit wird in einfacher Weise ein für die Lunge nicht erwünschter Überdruck verhindert. Das Frequenzsteuergerät schaltet dabei automatisch auf Exspiration um, damit der Atemgasstrom dann normal weitergeführt wird.

Die außerdem an die Drucksensorleitung angeschlossenen Geräte Druckanzeigegerät, Atemdruckmittelwertanzeiger und die Druck—/Zeitalarmeinrichtung dienen in zweckmäßiger Weise der Betriebssicherheit.

Das Rückschlagventil im Überdruckraum verhindert Venturi-Effekte, die eine genauere und reproduzierbare Einstellung der Zusammensetzung des Atemgases stören könnten.

909886/0028

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 das Funktionsschema des Gerätes zur Unterstützung der Atmung und/oder künstlichen Beatmung für Neu— und Frühgeborene,

Fig. 2 das Funktionsschema des Gerätes zur Unterstützung der Atmung und/oder künstlichen Beatmung für Erwachsene,

Fig. 3 den schematischen Aufbau des Frequenzsteuergerätes.

Das Beatmungsgerät wird von einer Atemgasquelle 1 gespeist. Der Druck des Atemgases beträgt mindestens 1,5 bar. Der Anschluß an die Atemgasquelle 1 erfolgt über die Druckminderer 2 und 3. Dabei ist über den Druckminderer 3 die direkte Atemgasleitung und über den Druckminderer 2 die Drucksteuerung 15 und das Frequenzsteuergerät 4 angeschlossen. In der Atemgasleitung hinter dem Druckminderer 3 befindet sich das Inspirationsventil 5, das entsprechend den pneumatischen Signalen aus dem Frequenzsteuergerät 4 öffnet bzw. schließt. Vor dem Inspirationsventil 5 ist das einstellbare Dosierventil 6 angeordnet, mit dem die Menge des durchströmenden Atemgases eingestellt wird. Das Atemgas gelangt hinter dem Dosierventil 6 über die Leitung 7 in den Patiententeil 8. Es strömt dort mit einem Druck von 0,2 bis 2,7 bar ein.

Der Patiententeil 8 besitzt das Rohr 9 mit axialen konischen Anschlüssen. In das Rohr 9 hinein mündet das Gas-

909886/0028

strahlrohr 10, das an die Leitung 7 angeschlossen ist. Das Gasstrahlrohr 10 ist etwa parallel mit der Achse der Ausblaseöffnung an der Innenwand in dem Trachealtubus 11 angeordnet. Die Eintauchtiefe und damit die Stellung der Einblaseöffnung ist veränderlich.

Ca. 20 mm unterhalb der Einblaseöffnung des Gasstrahlrohres 10 oder tiefer liegt die Öffnung der Drucksensorleitung 12, durch die der Atemwegdruck abgegriffen wird. An dieser Stelle bleibt der Atemwegdruck unbeeinflußt von dem Injektoreffekt des aus dem Gasstrahlrohr austretenden Atemgasstrahles. Der Atemwegdruck wird über die Signalleitung 13 der Drucksteuerung 15 zugeführt. Die Drucksteuerung 15 vergleicht den Atemwegdruck mit einem einstellbaren Grenzdruck. Wird bei dem Vergleich der gewählte Grenzdruck erreicht oder überschritten, dann öffnet die Drucksteuerung 15 mit Hilfe eines pneumatischen Signals die Verbindung von dem Frequenzsteuergerät 4 zum Inspirationsventil 5. Durch die dabei erfolgte Entlüftung entsteht das logische Signal "Null", mit dem das Inspirationsventil 5 schließt; es beendet damit sofort die Inspiration. Das pneumatische Signal aus der Drucksteuerung 15 beeinflußt auch die Schaltelemente in dem Frequenzsteuergerät 4, wodurch dieses auf Exspiration umschaltet.

Das Frequenzsteuergerät 4 mit der Verknüpfung zur Drucksteuerung 15 ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Steuergasversorgung aller Elemente erfolgt vom Druckminderer 2 und ist als Anschluß 30 dargestellt. Vom Frequenzventil 31 gelangt mengendosiertes Steuergas zu den als Membransteuerelemente ausgebildeten NAND-Elementen und 33, von denen jeweils nur eines durchgesteuert ist. Während der Exspirationsphase ist das NAND-Element 32 ge-

909886/0028

öffnet und das NAND-Element 33 geschlossen. Über das NAND-Element 32 fließt in seiner Öffnungsphase Steuergas in die Exspirationskammer 34. Sie bildet zusammen mit der Inspirationskammer 40 den Steuerraum 45. Durch die mittels der Verstelleinrichtung 46 verschiebbare Trennwand 47 sind Inspirationskammer 40 und Exspirationskammer 34 in ihrem Volumen gegeneinander verstellbar. Gemäß der Zeitkonstante ~ . aus dem pneumatischen Widerstand R des Frequenzventils 31 und der pneumatischen Kapazität C^ der Exspirationskammer 34 steigt der Druck in der Exspirationskammer 34 und der mit ihr verbundenen Identität 35 an. Erreicht der Druck Schaltniveau, dann wird die Identität 35 so umgesteuert, daß Steuergas vom Anschluß 30 über die Leitung 36 zum bistabilen Flip-Flop 37 gelangt und diesen so umsteuert, daß der Anschluß 30 mit der Leitung 38 verbunden ist. Damit ist die Leitung 38 mit Steuergas beaufschlagt. Das Inspirationsventil 5 wird durch den nun in der Leitung 38 anstehenden Druck über die Drucksteuerung 15 und die Leitung 48 auf Inspiration geschaltet, also geöffnet. Über die Leitung 38 wird zugleich der Durchgang des NAND-Elementes 32 geschlossen. Gleichzeitig wird die Exspirationskammer 34 über das NAND-Element 32 entlüftet. Über interne Verschaltung des bistabilen Flip-Flop 37 wird die Durchsteuerung von dem Anschluß 30 zu der Leitung 39 unterbrochen und damit die Leitung drucklos gemacht. Dadurch steuert das NAND-Element 33 durch, d.h. die vom Frequenzventil 31 dosierte Steuergasmenge fließt nun über das NAND-Element 33 in die Inspirationskammer 40. Gemäß der Zeitkonstante t _ = R · C-(mit Cp als pneumatischer Kapazität der Inspirationskammer 40) erfolgt nun ein Druckanstieg in der Inspirationskammer 40. Bei Erreichen des Schaltniveaus wird die Identität 41 so umgeschaltet, daß Steuergas von dem

909886/0028

Anschluß 30 der Identität 41 über die Leitung 42 und das ODER-Element 44 zum Flip-Flop 37 fließt und zur Umsteuerung des bistabilen Flip-Flop 37 führt. Die Exspirationsphase beginnt. Nun wird die Leitung 39 mit Druck beaufschlagt und schließt den Durchgang im NAND-Element 33. Dadurch wird gleichzeitig die Inspirationskammer 40 über das NAND-Element 33 entlüftet. Über interne Verschaltung des Flip-Flop 37 wird die Leitung 38 drucklos gemacht und das NAND-Element 32 geöffnet. Damit beginnt der beschriebene Zyklus erneut.

Erreicht der Atemwegdruck den Grenzdruck, so erfolgt eine Umsteuerung auf Exspiration über die Drucksteuerung 15. Das in der Drucksteuerung 15 entstehende pneumatische Signal, das auch die Entlüftung der Leitung 48 zum Inspirationsventil 5 bewirkt, führt gemäß Fig. 3 über die Leitung 49 zur Durchsteuerung des UND-Elementes 43. Dessen Ausgangssignal gelangt über die Leitung 50 und das ODER-Element 44 zum Flip-Flop 37 und steuert diesen auf Exspiration.

Die Aufladezeit der Exspirationskammer 34 bestimmt also die Länge der Exspirationszeit t„ * die Aufladezeit der Inspirationskammer 40 die Länge der Inspirationszeit t_ Die Summe der Zeiten t_T + t„ ist gleich T. Verstellt

in biX

man mittels der Verstelleinrichtung 46 die Trennwand 47 des Steuerraumes 45, so verändern sich nur die Teilzeiten t und t„ , nicht jedoch die Gesamtzeit T. Da der reziproke Wert von T gleich der Beatmungsfrequenz f ist, ändern verschiedene Beatmungszeitverhältnisse t_ : t_ nicht die Beatmungsfrequenz. Eine Änderung der Beatmungsfrequenz f wird erreicht, wenn man am Frequenzventil 31 die Steuergasmenge verändert. Dabei bewirkt eine größere

909886/0028

Menge ein schnelleres Füllen der Inspirations- 40 bzw. Exspirationskammern 34 und damit eine kürzere Zeit T.

1
Entsprechend der Beziehung f = ψ bedeutet eine kürzere Zeit T eine größere Beatmungsfrequenz f. Da eine veränderte Steuergasmenge das Verhältnis der Füllzeiten der Kammern 40 und 34, d.h. von t_T : t„ nicht verändert, bleibt also bei einer Beatmungsfrequenzänderung das Atemzeitverhältnis konstant.

Der Atemwegdruck wird in dem Druckanzeigegerät 16 angezeigt. Bei vorhandenen hohen Atemfrequenzen wird der Atemwegdruck nach Umschaltung des Dreiwegeventils 26 über einen Mittelwertgeber 17 angezeigt. Zur Erkennung von Verstopfungen oder Trennungen von Leitungen ist die Druck-/Zeitalarmeinrichtung 25, in der der Atemwegdruck innerhalb eines Höchstzeitraumes eine bestimmte Höhe erreicht und überschritten haben muß, vorgesehen. Wird dieser Wert in dem Zeitraum nicht erreicht, dann wird ein Alarmsignal ausgelöst. Das Überschreiten des Druckniveaus kann auch dazu ausgenutzt werden, die eingestellten Beatmungsparameter Frequenz und das I:E-Verhältnis anzuzeigen. Um auch bei erhöhter Atemmitteldrucklage die Spontanatmung zu ermöglichen (CPAP), besitzt der Patiententeil 8 in dem auf diesem angeordneten Überdruckraum 18 ein Einblasrohr 19, mit dem die Druckerhöhung in dem Gerät erreicht wird. Dazu wird mit dem PEEP-Steuerungsventil 20 die Menge und der Druck des Gasstromes durch das Einblasrohr 19 eingestellt. Die PEEP-Werte sind dabei zwischen 1 und 15 mbar variierbar.

Um Venturi-Effekte, die eine genaue und reproduzierbare Einhaltung der Mischungen im Atemgas stören könnten, zu vermeiden, ist im rechten Winkel zur Achse des Tracheal-

909886/0028

tubus 11 das Rückschlagventil 21 angeordnet. Es besitzt die Sammelvorrichtung 22 für das Ausatemgas.

Für die Benutzung des Gerätes zur Beatmung von Erwachsenen wird der Überdruckraum 18 des Patiententeils 8 mit einem Membranventil 27 versehen, dessen Sitz senkrecht zur Achse des Patiententeils angebracht ist. Die Steuerseite des Membranventils 27 ist mit dem durch den Druckminderer 23 einstellbaren Beatmungsmitteldruck beaufschlagt. Nach Vergleich des anstehenden Atemwegmitteldruckes mit dem Beatmungsmitteldruck in der Vergleichseinrichtung 29 ist die Differenz der beiden Drücke Grundlage für die Regelung des Mengenventils 28. Über das Mengenventil 28 wird dem Patienten damit die nach dem augenblicklichen Bedarf erforderliche Atemgasmenge zugeführt. Dies geschieht über das Einblasrohr 19 und den Überdruckraum 18.

909886/0028

Leerseite

Claims

Patentansprüche "

1.} Gerät zur Unterstützung der Atmung und/oder künstlichen Beatmung mit mehrfach bis vielfach innerhalb der Zeitkonstante der Lunge periodisch wiederholten Inspirationsphasen und einer über den Druck in der Trachea angesteuerten Atemgaszufuhr mit einem Tracheal tubus, der an einen unter Überdruck zu setzenden Raum angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemgas aus einer Atemgasquelle (1) über einen Druckminderer (3), ein Dosierventil (6) und ein Inspirationsventil (5) dem Gasstrahlrohr (10) im Tracheal tubus (11) zugeführt wird und daß von einem Frequenzsteuergerät (4) mit den Steuerraum (45) bildenden, in ihrem Volumen gegeneinander verstellbaren Inspirations-(40) und Exspirationskammern (34), die jeweils aus einem Frequenzventil (31) über vorgeschaltete pneumatische Membransteuerelemente (32,33) mit Steuergas gefüllt werden, und nachgeschalteten pneumatischen Membransteuerelementen (35,37,41) und der Drucksteuerung (15) das Inspirationsventil (5) geöffnet und geschlossen wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsverbindung Frequenzsteuergerät (4) - Drucksteuerung (15) - Inspirationsventil (5) mit dem Erreichen des Grenzdruckes öffnet und das Frequenzsteuergerät (4) auf Stellung Exspiration schaltet.

3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Drucksensorleitung (12) ein Druckanzeigegerät (16) angeschlossen ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckanzeige als Atemdruckmittelwert im Atemweg erfolgt.

909886/002$

ORIGINAL INSPECTED ^τ\

5. Gerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Drucksensorleitung (12) eine Druck-/Zeitalarmeinrichtung (25) angeschlossen ist.

6. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, insbesondere für Neu- und Frühgeborene, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruckraum (18) ein im rechten Winkel zur Trachealtubusachse angeordnetes Rückschlagventil (21) besitzt.

7. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, insbesondere für Erwachsene, dadurch gekennzeichnet, daß die Atemgasmenge über ein durch die Differenz aus dem Atemwegmitteldruck und dem einstellbaren Beatmungsmittel— druck geregeltes Mengenventil (28) zugeführt wird und der Überdruckraum (18) ein durch den Beatmungsmitteldruck gesteuertes Membranventil (27) besitzt.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zur Regelung des Mengenventils (28) aus dem Atemwegdruck und dem einstellbaren Beatmungsmitteldruck gebildet ist.

909886/0028