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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein künstliches Beatmungssystem gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es soll bemerkt werden, dass in Verbindung mit dieser Anmeldung der Ausdruck
Inspirationsimpuls alle relevanten Parameter einschließt, die auf irgendeine Weise den
Inspirationsimpuls und seine Auswirkung auf ein Lungensystem definieren. Zum Beispiel
wird der positive endexpiratorische Druck (PEEP) normalerweise als externer Überdruck auf
die Lunge am Ende der jeweiligen Expiration eingestellt. Der darauffolgende
Inspirationsimpuls wird jedoch bei diesem erhöhten Druck beginnen und der Effekt des
Inspirationsimpulses auf die Lunge ist ebenfalls vom PEEP abhängig. PEEP ist deshalb also
ein relevanter Parameter für den Inspirationsimpuls. Die gleiche Beurteilung gilt für die
Betrachtung der Expirationszeit, da der Effekt eines speziellen Inspirationsimpulses ebenfalls
abhängig ist, unter anderem, vom Verhältnis zwischen der Inspirationszeit und der
Expirationszeit.
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Die Lunge ist eines der wichtigsten Organe in einem Lebewesen. Die Hauptfunktion der
Lunge ist der Gasaustausch zwischen dem Organismus und der Umgebung. Sauerstoff (O&sub2;)
in der Luft wird in das Blutsystem diffundiert und Kohlendioxid (CO&sub2;) diffundiert aus dem
Blutsystem in die Luft in der Lunge. Das CO&sub2; wird dann während der Expiration aus der
Lunge entfernt. Der tatsächliche Gasaustausch findet an der Luft-/Flüssigkeitsgrenzfläche in
der Alveole statt. In einem gesunden menschlichen Lungensystem befinden sich etwa 300
Millionen Alveolen mit einer Gesamtfläche von etwa 100 m². Die Alveolen sind im
pulmonalen Kapillarnetzwerk eingebunden, das ein feines Netzwerk von winzigen Kapillaren
bildet. Die Kapillaren sind so dünn, dass gleichzeitig nur eine rote Blutzelle hindurch gehen
kann.
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Als Folge von Verletzungen oder einer Krankheit oder sogar in Folge einer künstlichen
Ventilation (wie bei einer Anästhesie) kann die Lungenfunktion in einem solchen Ausmaß
beeinträchtigt sein, dass der Patient (normalerweise ein menschliches Wesen oder ein
Haustier) keine ausreichende spontane Atmung aufrechterhalten kann. Eine künstliche
Beatmung oder Ventilation muß dann vorgesehen werden. Der einfachste und schnellste Weg
eine künstliche Beatmung in kritischen Situationen vorzusehen, ist die Mund-zu-Mund-
Beatmung. Diese ist jedoch weder ausreichend für eine längere Behandlung, noch ist sie
ausreichend für sämtliche Arten von akuten Krankheiten.
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Die mechanische künstliche Beatmung ist seit langem bekannt, zum Beispiel durch die
sogenannte "eiserne Lunge". Die eiserne Lunge enthält eine Kammer, die den Patienten bis
zum Hals bedeckt. Um den Patienten zum Einatmen zu zwingen, wird Luft aus der Kammer
gepumpt und hierdurch die Brust gezwungen sich auszudehnen. Luft strömt dann in die
Lunge hinunter. Die voluminöse Kammer und das Problem den Körper des Patienten
vollständig umschlossen zu halten, sind die Hauptnachteile bei dieser Art von künstlicher
Beatmung, die üblicherweise als Negativdruck-Beatmung bezeichnet wird.
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Während der Polio-Epidemie in den 1950ern war für eine große Anzahl von Patienten
plötzlich ein großer Bedarf an künstlicher Beatmung. Es wurde dann die Positivdruck-
Beatmung entwickelt. Im Prinzip wurde eine Kolbenpumpe benutzt zur Erzeugung eines
Überdruckes, der über einen Schlauch und eine Atemmaske Luft in die Lunge des Patienten
drückte. Die Pumpen wurden zu Beginn manuell gesteuert, normalerweise durch Studenten,
die regelmäßig Luft in die Lungen der Patienten pumpten. Es wurden dann für die Pumpe
mechanische Antriebsmechanismen entwickelt.
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Die meisten dieser ersten Positivdruck-Ventilationssysteme steuerten das Tidal-Volumen (Vt)
des Patienten, da sie während jeder Inspiration ein bestimmtes Volumen, d. h. das Hub-
Volumen der Pumpe, in die Lunge des Patienten preßten. Solange die Lunge eine gute
Compliance (Dehnbarkeit) aufweist, verursacht dies kein Problem. Wenn aber atelektatische
Bereiche (nicht belüftete Lungenabschnitte) vorhanden sind, d. h. wenn die Lunge "steif" ist,
kann das zugeführte Volumen innerhalb der Lunge Drücke hervorrufen, die die Lunge
beschädigen. Der Druckunterschied zwischen verschiedenen Bereichen der Lunge kann
Scherkräfte hervorrufen, die die Lunge beschädigen und die Genesungszeit des Patienten
verlängern. Ein hoher absoluter Druck kann dazu führen, dass benachbarte Alveolen eine
zwischenliegende Kapillare zusammendrücken und den vitalen Blutfluß unterbinden
(Überdehnung). In schweren Fällen kann ein exzessiver Druck sogar ein Reißen des
Gewebes hervorrufen.
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In der Zwischenzeit sind künstliche Beatmungssysteme wesentlich verbessert worden. In den
60ern wurden elektronisch gesteuerte Ventilatoren entwickelt, die Druck und Fluß mit
höherer Genauigkeit als die vorhergehenden mechanischen Ventilatoren steuern konnten.
Ebenso wurden mehrere neue Ventilationsarten entwickelt.
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In einer modernen bekannten Ventilatorsystem-Technik, wie die beim Servo Ventilator 300,
Siemens-Elema AB, Schweden, kann der Arzt unter einer großen Anzahl an
Ventilationsarten auswählen, wie Drucksteuerung (PC), Druckunterstützung (PS),
Volumensteuerung (VC), Volumenunterstützung (VS), druckregulierter Volumensteuerung
(PRVC), kontinuierlichem positivem Atemwegdruck (CPAP), synchronisierter
intermittierender maschineller Beatmung (SIMV) und anderen einschließlich von Variationen
der erwähnten Arten. Es ist auch möglich ein- und denselben Ventilator für neugeborene,
jugendliche und erwachsene Patienten zu benutzen.
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Es ist jedoch nicht ausreichend, der Lunge des Patienten nur Atemluft zuzuführen. Da alle
Lungensysteme individuell ausgebildet sind und zum Beispiel unterschiedliche Compliance
und mehr oder weniger atelektatische Bereiche aufweisen können, muß jede Behandlung an
den speziellen Patienten angepaßt werden. Insbesondere muß, wenn eine Positiv-Druck-
Ventilation benutzt wird, Sorge tragen werden, dass, keine zu hohen Drücke oder Volumina
an Atemgas zugeführt werden, da diese ein Barotrauma oder ein Volutrauma hervorrufen
können. Wie bereits erwähnt, kann durch extreme Spitzendrücke eine Überdehnung und
sogar ein Geweberiß innerhalb der Lunge hervorgerufen werden. Ein weiteres Risiko ist der
Mangel an Surfaktant in den Alveolen als Folge großer Tidal-Volumen (Vt) und
Druckänderungen, einem endexpiratorischen Lungenvolumen, das kleiner ist als die
funktionelle Residualkapazität (FRC), ebenso wie von wiederholten Übergängen vom
geschlossenen in den offenen Zustand. Die Verarmung an Surfaktant veranlaßt die Lunge
sich zu versteifen. Wenn sich der Zustand des Patienten ändert (verbessert oder
verschlechtert), muß sich auch die Behandlung ändern. Eine andere Art könnte ausgewählt
werden oder eine Änderung könnte in einem der zahlreichen sich auf den Inspirationsimpuls
beziehenden Parameter vorgenommen werden. Die Bedeutung der Überwachung des
Zustandes des Patienten wurde deshalb in einer frühen Entwicklungsstufe realisiert und
dieses Gebiet ist ebenfalls entwickelt worden.
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Die Mechaniken der Lunge waren wahrscheinlich der erste von Ärzten zu beachtende
Faktor, wenn bestimmt werden sollte, wie ein bestimmter Patient zu behandeln ist. Durch
Verwendung von Spirometern, kombiniert mit anderen Instrumenten, konnten einige
mechanische Lungenparameter, wie das Tidal-Volumen, das Residualvolumen und die
funktionelle Residualkapazität (FRC) bestimmt werden. Der Widerstand und die Compliance
sind für die Lunge ebenfalls durch verschiedene Meß- und Berechnungsmethoden bestimmt
worden. Diese Parameter konnten durch den Arzt benutzt werden, um den Zustand der
Lunge zu bestimmen. Ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden mußte, war der
Totraum. Für das normale Lungensystem umfaßt der anatomische Totraum Mund, Nase,
Rachen, Luftröhre und Bronchien. Außerdem addieren sich zu dem Totraum die Schlauch-
und Rohrverbindungen des Ventilationssystems zum Patienten, wodurch das Wiedereinatmen
von ausgeatmetem, CO&sub2;-angereichertem Gas erhöht wird. Somit mußte auch das CO&sub2;
berücksichtigt werden, um die Ventilation des Lungensystems zu verbessern und
insbesondere um Hypoventilation (mit der Folge eines zu hohem Blut-CO&sub2;-Pegels) und
Hyperventilation (mit der Folge eines zu geringen Blut-CO&sub2;-Pegels) zu vermeiden.
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Neben diesen zusätzlichen Betrachtungen ist die allgemeine Überwachung des Zustandes des
Patienten ein wichtiges Werkzeug, insbesondere bei der Intensivpflege, geworden.
Normalerweise kann eine Überwachung die Messung von ECG, EGG, CO&sub2;,
Sauerstoffsättigung (SaO&sub2;) und seit kurzem Partialdruck von Sauerstoff (PaO&sub2;) und
Kohlendioxid (PaCO&sub2;) im Blut, umfassen. Der erfahrene Arzt wird dann versuchen den
Patienten zu belüften, um aus diesen überwachten Parametern, wie einer ausreichenden
Sauerstoffsättigung, bestimmte lebensunterstützende Werte zu erhalten.
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Für einige Inspirationsimpuls-Parameter sind Regelsysteme beschrieben worden, wo ein
gemessener Körperfunktionsparameter in einem Steuersystem benutzt wird zum
automatischen Ändern des Inspirationsimpulsparameters. In einem in der US-A-5,103,814
beschriebenen Ventilatorsystem wird die gemessene SaO&sub2; des Patienten benutzt zum Steuern
des Sauerstoff-Prozentsatzes in einem Atemgas. Mit anderen Worten, falls die SaO&sub2; unterhalb
eines Schwellwerts liegt, wird dem Patienten ein höherer Prozentsatz an Sauerstoff (FiO)
zugeführt und falls die SaO&sub2; höher als der Schwellwert ist, wird FiO im Atemgas reduziert.
Ein ähnliches System ist in der EP-A-504 725 beschrieben. Ein wesentliches Problem bei
diesen Systemen ist: Ändern eines Parameters ist nicht ausreichend. Wenn zum Beispiel die
Lunge plötzlich kollabiert, ist selbst eine Zunahme von 100% O&sub2; nicht ausreichend, um
einen optimalen Gasaustausch zu haben.
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Es sind auch andere Versuche einer Automation unternommen worden. In einem Artikel mit
dem Titel "Automatic weaning from mechanical ventilation using an adaptive lung ventilation
controller", Linton et. aL, Chest 1994 Dec.: 106(6); 1843-1850, ist ein System für das
automatische Weaning (Entwöhnen vom Respirator) eines Patienten beschrieben. Das
beschriebene System wurde automatisch an die Lungenmechanik des Patienten angepaßt auf
einer Atem-zu-Atem-Basis und zielte darauf ab, die Atemarbeit zu minimieren, die
Alveolarventilation aufrechtzuerhalten und intrinsic PEEP zu verhindern. In der US-A-
4,986,268 wird eine vollständigere Steuerung angestrebt. Es werden der Sauerstoff und
Kohlendioxid-Gehalt in der ausgeatmeten Luft gemessen und auf der Grundlage dieser Werte
werden zusammen mit den vorgegebenen Lungenelastizitäts- und Luftviskositäts-Faktoren
das Tidal-Volumen (Vt) und die Atemfrequenz (RR) automatisch berechnet und eingestellt.
Ein weiteres System ist in einem Artikel mit dem Titel "An adaptive lung ventilation
controller", von Laubscher et. al., IEEE Trans. Biomed. Eng. 1994 Jan; 41(1): 51-59
beschrieben. In diesem System programmiert der Arzt eine gewünschte Gesamtalveolar-
Ventilation und das Steuersystem versucht diesen gewünschten Pegel aufrechtzuerhalten
durch automatisches Einstellen der mechanischen Frequenz und des Inspirationsdruckpegels.
Die Einstellungen basieren auf Messungen der Lungenmechanik und des Totraums des
Patienten.
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Obwohl diese Systeme automatisierte Systemlösungen für bestimmte Funktionen oder für
eine bestimmte Kategorie von Patienten liefern können, gelingt es ihnen nicht, eine volle
automatische Steuerung der Beatmung eines Patienten zu präsentieren, unabhängig vom
Zustand des Patienten und die meisten sind nicht auf eine Beschleunigung der Genesungszeit
gerichtet.
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Alles im Allem gibt es viele Parameter und Faktoren zu berücksichtigen, wenn entschieden
werden soll, wie bei einem speziellen Patienten die bestmögliche künstliche Ventilation
anzuwenden ist. Viele sich auf den Zustand des Patienten und/oder das Lungensystem
beziehende Parameter sind gefunden worden, aber die Verbindung zwischen den Parametern
und wie sie für eine optimale Behandlung genutzt werden können, ist nicht erkannt worden.
Probleme, die entstehen können, sind eine unzureichende Oxygenierung, Hypoventilation,
Hyperventilation, Volutrauma, Barotrauma, Überdehnung, Geweberiß, Scherkräfte etc.
Insbesondere ist ein solches System niemals realisiert worden, obwohl es schon immer das
Ziel war für einen Patienten eine optimale künstliche Ventilation zu erreichen.
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Die US-A-4 326 513 offenbart ein Beatmungssystem und ein Verfahren zum Minimieren der
Sauerstoffkonzentration von einem Patienten zugeführten Inspirationsgas, während der
gewünschte arterielle Sauerstoffpartialdruck im Patienten aufrechterhalten wird. Um dieses
Ziel zu erreichen wird zu einer Zeit ein Parameter geändert. Nach jeder Änderung wird der
PaO&sub2; gemessen und der Sauerstoffgehalt FiO geändert bis der gemessene PaO&sub2; gleich dem
gewünschten PaO&sub2; ist. Falls der erforderliche FiO&sub2; höher als eine obere Schwelle So ist, wird
der geänderte Parameter auf seinen vorherigen Wert zurückgesetzt. Falls FiO&sub2; kleiner als der
obere Schwellwert So, aber höher als ein unterer Schwellwert So ist, wird der FiO&sub2;-Wert zur
oberen Schwelle für die nächste Folge einer Parameteränderung. Die Idee ist deshalb, dass
durch sequentielles Ändern der Parameter und Beobachten der Auswirkungen des benötigten
FiO&sub2; zur Aufrechterhaltung des gewünschten PaO&sub2; ein minimales FiO&sub2; erreicht werden kann.
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Es ist ein Ziel der Erfindung ein künstliches Ventilationssystem zu schaffen, dass eine
optimale künstliche Ventilation für einen Patienten erreicht, unter Berücksichtigung der
meisten relevanten Parameter für den Zustand des Patienten und abzielt auf eine verbesserte
Genesungszeit für den Patienten und das Lungensystem.
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Dieses Ziel wird durch die Erfindung dadurch erreicht, dass das künstliche
Ventilationssystem entsprechend den Merkmalen des Anspruches 1 ausgebildet wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Grundsätzlich ist nunmehr erkannt worden, dass es von vitaler Bedeutung für die künstliche
Ventilation ist, die Druckbelastung auf das Lungensystem zu reduzieren und gleichzeitig eine
ausreichende Oxygenierung des Blutsystems zu erzielen. Dies liefert eine
lebensunterstützende Bedingung mit einem Minimum an negativen Auswirkungen für den
Patienten.
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Im Prinzip sind die grundsätzlichen Eigenschaften der Alveolen in Betracht zu ziehen. Die
Alveolen können anhand des La Place'schen Gesetzes beschrieben werden, d. h. P = 2γ/r,
wobei P der erforderliche Druck ist, um einen speziellen Radius einer Blase
aufrechtzuerhalten, γ die Oberflächenspannung der Fluid-Gas-Zwischenfläche und r den
Radius der Blase bedeuten. Eine kollabierte Alveole benötigt einen relativ hohen Druck um
sich aufzublähen zu beginnen, aber wenn der Radius zunimmt beim Expandieren der
Alveole, wird der für das weitere Aufblähen erforderliche Druck reduziert. Mit anderen
Worten, wenn die Alveolen aufgebläht, d. h. mit Luft gefüllt sind, benötigen sie keinen hohen
Druck um offen zu bleiben. Die Bedeutung, die Lunge offenzuhalten, ist mehr im Detail
beschrieben in einem Artikel mit dem Titel "Open up the lung and keep the lung open",
Intensive Care Medicine, 1992, 18: 319-321. Das künstliche Ventilationssystem der
vorliegenden Erfindung zieht den Vorteil aus dieser Charakteristik, extrapoliert auf die
gesamte Lunge, und kombiniert sie mit einem vitalen lebensunterstützenden Parameter, der
Oxygenierung des Blutsystem.
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Durch eine Minimierung der Drücke, mit denen die Lunge beaufschlagt wird, insbesondere
des Spitzendruckes und der Druckamplitude, können negative Effekte des Kardio-Pulmonar-
Systems, wie Barotrauma, Volutrauma, Überdehnung und hypoxische Vasokonstriktion
1 minimiert, wenn nicht vollständig vermieden werden. Das künstliche Ventilationssystem
arbeitet am wirkungsvollsten im Drucksteuermodus, wenn der Patient nicht spontan atmet
und in Unterstützungsmoden, wenn der Patient spontan atmet. Es sind jedoch andere
Arbeitsweisen möglich, um die gleichen vorteilhaften Ergebnisse zu erzielen. Zum Beispiel
könnte im Volumensteuerungsmodus der Druck gemessen werden und die Zufuhr an
Atemgas könnte so gesteuert werden, dass die gewünschten Druckparameter erhalten und
aufrechterhalten werden.
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Mehrere vorteilhafte Verbesserungen des künstlichen Ventilationssystems sind in den
abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Zum Beispiel ist der vorzugsweise benutze Blutgasparameter, der Sauerstoffpartialdruck
(PaO&sub2;). Der PaO&sub2; ist der beste Blutgasparameter, der die Oxygenierung des Blutsystems
wiederspiegelt. PaO&sub2; ist besser als zum Beispiel die Sättigung des Sauerstoff im Blut (SaO&sub2;)
oder eine Bestimmung durch Berechnung der arteriellen Oxygenierung mittels Messung des
ausgeatmeten Sauerstoffgehalts. Dies deshalb, weil PaO&sub2; selbst dann variiert, wenn das Blut
vollständig gesättigt ist.
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Das System kann vollautomatisch arbeiten, da sämtliche relevanten Parameter automatisch
am Ort gemessen werden können. Wie unten beschrieben wird, sind auch andere
Arbeitswesen möglich.
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Die Anmeldung beschreibt auch eine Routine einer Steuereinheit, die in der Lage ist, das
künstliche Ventilationssystem zu steuern, um die optimale Ventilation zu erhalten.
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Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung kann der Expirationsfluß in einem
Durchflußmesser gemessen werden und optimale Einstellungen für das Inspirations-/
Expirations-Zeitverhältnis (I : E-Verhältnis) und die Atemfrequenz (RR) werden bestimmt auf
der Grundlage des Quotienten zwischen einem bestimmten endexpiratorischen Fluß (ΦEE)
und einem spitzenexpiratorischen Fluß (ΦPE).
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Bildschirm an die
Überwachungseinheit angeschlossen, zum Darstellen der gemessenen Parameter. Der
Bildschirm könnte auch an die Steuereinheit angeschlossen sein zum Darstellen der
bestimmten Inspirationsimpulsparameter. Die Verwendung eines Bildschirms liefert ein
perfektes Interface zwischen dem künstlichen Ventilationssystem und einem Arzt. Der Arzt
kann wählen, ob das künstliche Ventilationssystem automatisch arbeiten und die gesamte
Ventilation des Patienten selbst steuern sollte, oder ob die Steuereinheit nur die
vorgeschlagenen neuen Parameter auf dem Schirm anzeigen sollte, woraufhin der Arzt
entscheidet, ob oder ob nicht er die vorgeschlagenen Parameter für die Behandlung oder die
Diagnose des Patienten verwendet. Der Bildschirm und die Überwachungseinheit können
Teile eines Gesamtüberwachungssystem für den Patienten sein. Zum Beispiel können in der
Intensivpflege bei der Überwachung von ECG, EEG, haemodynamische Parameter, wie
Blutdrücke, Sauerstoffsättigung, Partialdruck von Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut,
Sauerstoffverbrauch, Kohlendioxiderzeugung und andere Parameter gemessen und auf dem
Bildschirm dargestellt werden.
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Insgesamt liefert dies ein Ventilationssystem, das ein großes Potential für die gesamte
künstliche Ventilation darstellt. In Krankenhäusern kann das Ventilatorsystem sogar als
Erziehungsmittel für die Angestellten benutzt werden. Die Interface-Operation über den
Bildschirm präsentiert bei sämtlichen Stufen Informationen über den Zustand der Patienten
und wie in jedem Fall der Patient zu belüften ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann durch Überprüfen, ob die Lunge
kollabiert ist oder nicht, zunächst der Zustand der Lunge bestimmt werden. Dieser spiegelt
sich wieder im Sauerstoffpartialdruck des Blutes. Falls die Lunge kollabiert ist, wird ein
Öffnungsdruckverfahren aktiviert. Wenn ein Öffnungsdruck (Po) bestimmt worden ist, wird
auch ein Schließdruck (Pc) des Lungensystems bestimmt. Der Schließdruck (Pc) reflektiert
dann den niedrigsten Druck, bei dem die Lunge belüftet werden kann, um eine ausreichende
Oxygenierung des Blutes vorzusehen.
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Die Routine zum Steuern des künstlichen Ventilationssystems umfaßt eine Anzahl logischer
Regeln oder Protokolle. Durch Beurteilung des Zustandes der Lunge in vorgegebenen
Intervallen kann erforderlichenfalls ein definierter Satz von Regeln oder ein spezielles
Protokoll aktiviert werden. Insbesondere umfaßt die vorliegende Erfindung ein
Öffnungsprotokoll, ein Reduktionsprotokoll, ein Aufrechterhaltungsprotokoll und ein
Entwöhnungsprotokoll (Weaningprotokoll). Das Öffnungsprotokoll sorgt für die Bestimmung
des Öffnungsdruckes (Po). Das Reduktionsprotokoll sorgt für die Bestimmung des
Schließdruckes (Pc). Das Aufrechterhaltungsprotokoll zielt darauf ab, die Lunge offen
zuhalten. Das Entwöhnungsprotokoll wird schließlich aktiviert, wenn sich der Patient
genügend erholt hat, um von der künstlichen Ventilation entwöhnt zu werden. Da diese
Protokolle dem Zustand des Patienten folgen, folgen sie normalerweise in der gleichen
Reihenfolge: Öffnungsprotokoll, Reduktionsprotokoll, Aufrechterhaltungsprotokoll und
Entwöhnungsprotokoll.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren mehr im
Detail erläutert, wobei
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Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform des künstlichen Ventilationssystems zeigt,
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Fig. 2 den Grundgedanken für ein Konzept zum Optimieren der Ventilation eines
Lungensystems darstellt,
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Fig. 3 ein Druck-Volumen-Diagramm zeigt, dass das Verhalten einer kollabierten
Lunge darstellt,
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Fig. 4 ein erstes Flußdiagramm zeigt, das eine erste Routine zur Steuerung des
Ventilatorsystems beschreibt,
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Fig. 5 ein zweites Flußdiagramm zeigt, das eine zweite Routine zum Steuern des
Ventilatorsystems darstellt,
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Fig. 6 ein Druckdiagramm und ein Flußdiagramm für einen Inspirationsimpuls zeigt,
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Fig. 7 in einem Flußdiagramm eine erste Reihe von Teilschritten für die zweite Routine
darstellt,
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Fig. 8 in einem Flußdiagramm eine zweite Reihe von Teilschritten für die zweite
Routine darstellt,
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Fig. 9 eine Reihe von Inspirationsimpulsen zur Bestimmung eines Öffnungsdruckes
zeigt,
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Fig. 10 in einem Flußdiagramm eine dritte Reihe von Teilschritten für die zweite Routine
darstellt,
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Fig. 11 eine Folge von Inspirationsimpulsen zur Bestimmung eines Schließdruckes zeigt,
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Fig. 12 in einem Flußdiagramm eine vierte Reihe von Teilschritten für die zweite
Routine darstellt,
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Fig. 13 in einem Flußdiagramm eine fünfte Reihe von Teilschritten für die zweite
Routine darstellt,
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Fig. 14 in einem Flußdiagramm eine sechste Reihe von Teilschritten für die zweite
Routine darstellt,
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Fig. 15 in einem Flußdiagramm eine siebte Reihe von Teilschritten für die zweite
Routine darstellt,
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Fig. 16 ein Atemgasliefersystem zeigt, das für das künstliche Ventilationssystem benutzt
werden kann, und
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Fig. 17 in einem Flußdiagramm eine achte Reihe von Teilschritten für die zweite Routine
darstellt.
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Das künstliche Ventilationssystem enthält eine Gasliefereinheit 2, die steuerbare Mengen an
Gas über Gaseinlässe 2A, 2B, 2C erhält. Die erhaltenen Gase werden in vorgegebenen
Anteilen innerhalb der Gasliefereinheit 2 gemischt und dann an das Lungensystem eines
Patienten 4 über ein Gasliefersystem 6 geliefert. Atemgas kann während der
Inspirationsphasen intermittierend oder kontinuierlich geliefert werden, wobei während der
Inspirationsphase ein Inspirationsimpuls des Atemgases aufgedrückt wird. Die
Gasliefereinheit 2 wird durch eine Regeleinheit 8 gesteuert, die den Fluß, den Druck, die
Gasmischung, den Zeitablauf etc. des Atemgases regelt. Sämtliche
Inspirationsimpulsparameter können auf einem Steuerfeld 10 durch einen Arzt oder einen anderen
Klinikangestellten eingegeben werden, wobei vom Steuerfeld 10 zur Regeleinheit 8 über
einen Datenbus 12 ein Steuersignal übertragen wird. Das Steuerfeld 10 kann auch mit der
Möglichkeit ausgestattet sein, Patienteninformationen, wie Alter, Geschlecht und
Körpergröße oder Gewicht einzugeben, die für eine weitere Optimierung der Behandlung
benutzt werden können. Andere mögliche Informationen, die eingegeben werden können, um
eine Einwirkung auf das System zu haben, sind der Grund für die künstliche Beatmung
(Krankheit, unzureichende Respiration, unzureichende Atemmuskel, etc.) und Informationen
hinsichtlich des physischen Zustandes des Patienten (Zyanose, Brustwandbewegungen,
Emphyseme, Hauttemperatur, etc.).
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Der Patient ist auch an eine Überwachungseinheit 14 angeschlossen. Die
Überwachungseinheit 14 enthält ein Blutgasanalysegerät 14A, das mit dem Blutsystem des
Patienten 4 verbunden ist, einen Durchflußmesser 14B zum Messen des Atemgasflusses zu
und aus dem Lungensystem des Patienten 4, einen Druckmesser 14C, zum Messen des
Druckes in oder in der Nähe des Lungensystems des Patienten 4, einen Blutdruckmesser 14D
zum Messen des Blutdruckes des Blutsystems des Patienten 4 und einen CO&sub2;-Messer 14E
zum Messen des Kohlendioxid-Gehalts im ausgeatmeten Atemgas.
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Weitere Komponenten der Meßeinheit können sein, ein Sauerstoffmesser 14G, ein
Lungenmechanik-Messer 14H, ein Elektrokardiograph 141 und ein Elektroenzephalograph
14J, Meßelemente für die Körpertemperatur oder weitere Parameter, die den Zustand des
Patienten reflektieren, können ebenfalls in der Meßeinheit 14 enthalten sein.
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Alle gemessenen Parameter können über einen Datenbus 17 zu einem Monitorschirm 16
übertragen werden. In dem Monitorschirm 16 können Kurven oder Werte auf einem Display
18 dargestellt werde. Ein Arzt kann über Steuerknöpfe 20 auswählen, welche Parameter er
sehen will. Der Monitorschirm 16 kann auch mit der Möglichkeit ausgestattet sein,
Patientendaten einzugeben, wie es oben für das Steuerfeld 10 beschrieben worden ist. Die
Überwachungseinheit 14 ist auch über einen Datenbus 24 mit einer Steuereinheit 22
verbunden. Die Steuereinheit 22 ist ferner über den Datenbus 12 mit dem Steuerfeld 10
verbunden und erhält vom Steuerfeld 10 die eingestellten Inspirationsimpulsparameter,
ebenso wie den ausgewählten Ventilationsmodus und den Typ des Patienten, d. h. ob der
Patient ein Neugeborenes, ein Jugendlicher oder ein Erwachsener ist. Sie kann so auch
Informationen über Gewicht oder Größe, Alter und Geschlecht des Patienten erhalten, die
alle auf dem Steuerfeld 10 oder dem Monitorschirm 16 eingegeben werden. Auf der
Grundlage der gemessenen Parameter aus der Überwachungseinheit 14 und den laufenden
Einstellungen auf dem Steuerfeld 10 und dem Monitorschirm 16 berechnet und bestimmt die
Steuereinheit 22 eine optimale Neueinstellung für das künstliche Ventilationssystem und
insbesondere eine optimale Einstellung für den Inspirationsimpuls, wie
Spitzeninspirationsdruck (PIP), Enddruck, positiven (PEEP) oder negativen (NEEP),
Atemfrequenz (RR) und Inspirations-/Expirations-Zeitverhältnis (I : E-Verhältnis).
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Die Steuereinheit 22 kann auch Parameter berechnen, die gemessene Parameter in der
Überwachungseinheit 14 betreffen, und diese berechneten Parameter können ebenfalls auf
dem Monitorschirm 16 dargestellt werden. Berechnete Parameter sind beispielsweise das
Tidal-Volumen, das Minutenvolumen, der Sauerstoffverbrauch, die CO&sub2;-Tidal-Produktion
und die CO&sub2;-Minuten-Produktion. Diese berechneten Parameter können auch für die
Berechnung neuer Einstellungen benutzt werden. Die Änderung in bestimmten Parametern
über der Zeit, wie von Blutgasen, Sauerstoffverbrauch, etc. kann auch durch die
Steuereinheit 22 bestimmt und zur Festlegung neuer Einstellungen benutzt werden.
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Es soll bemerkt werden, dass die Blöcke in Fig. 1 sich mehr auf die Funktion als auf den
physischen Aufbau beziehen. Mit anderen Worten können einige der Meßelemente in der
Überwachungseinheit 14 (beispielsweise der Durchflußmesser 14B und der Druckmesser
14C) ebenso wie in der Regeleinheit 8 mit der Gasliefereinheit 2 integriert sein, während
andere Meßelemente in der Überwachungseinheit 14, wie das Blutgasanalysegerät 14A aus
einem getrennten Gerät bestehen kann. In gleicher Weise können die Steuereinheit 22 und
der Monitorschirm 16 integrierte Teile eines Computers, wie eines PC sein.
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Die Bestimmung neuer Einstellungen kann auf einer iterativen Methode beruhen, bei der die
Einstellungen zu einer Zeit geändert werden und das Ergebnis der Änderung über die
Überwachungseinheit 14 überwacht wird, bevor weitere Änderungen in den Einstellungen
vorgenommen werden. Die Bestimmung kann auch beruhen auf einer rein mathematischen
Berechnung auf der Basis der gegenwärtigen Patientendaten und der in einer Datenbank
gesammelten Patientendaten, die Hintergrundinformationen für die Steuereinheit 22 liefern.
Die Datenbank, die Hintergrundwissen enthält, ist sehr nützlich, wenn Maximalwerte und
Schwellwerte sowohl für die gemessenen Parameter als auch die eingestellten
Inspirationsimpulsparameter entschieden werden.
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Die festgelegten neuen Einstellungen können auf dem Monitorschirm 16 veranschaulicht
werden. Die dargestellte Einstellung kann dann betrachtet werden als ein Vorschlag für eine
neue Einstellung und der Arzt kann wählen, die Einstellung entsprechend zu ändern oder
nicht. Die Darstellung kann auch erfolgen als eine Information der nächsten automatischen
Einstellung für das Ventilationssystem. In diesem Fall erzeugt die Steuereinheit 22 ein
weiteres Steuersignal, das über einen Datenbus 26 zur Regeleinheit 8 übertragen wird. Das
weitere Steuersignal wird in diesem Fall das Steuersignal aus dem Steuerfeld 10 außer Kraft
setzen. Vorzugsweise kann der Arzt wählen, ob das System voll automatisch (Ventilation mit
geschlossener Schleife), halbautomatisch oder manuell sein soll.
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Um in der Lage zu sein, eine optimale Einstellung zu bestimmen, enthält die Steuereinheit 22
einen Satz von Bestimmungsprotokollen oder Steuermethoden. In Fig. 2 ist ein
grundsätzlicher Satz derartiger Protokolle dargestellt. Wenn der Patient mit dem
Ventilationssystem verbunden ist, wird eine Bewertung (28) des Zustandes des Patienten
durchgeführt und abhängig vom jeweiligen Status des Zustandes werden durch die
Steuereinheit 22 unterschiedliche Protokolle aktiviert. Falls deshalb das Lungensystem des
Patienten 4 kollabiert ist, wird ein Öffnungsprotokoll 30 aktiviert, welches Öffnungsprotokoll
30 weiter unten detaillierter beschrieben wird. Wenn die Lunge ausreichend offen ist, wird
ein Reduktionsprotokoll 32 aktiviert, welches Reduktionsprotokoll 32 ebenfalls unten weiter
detailliert beschrieben ist. Das Reduktionsprotokoll 32 zielt im Wesentlichen darauf ab den
niedrigsten Spitzendruck PIP und die niedrigste Druckamplitude zu finden, bei der die Lunge
ausreichend offen bleibt. Dann wird ein Aufrechterhaltensprotokoll 34 aktiviert, um die
Lunge beim niedrigstmöglichen Druck offenzuhalten, aber bei Aufrechterhaltung einer
ausreichenden Oxygenierung des Blutes. Schließlich, falls der Patient grundsätzlich gesund
ist, die Atemmuskeln aber wegen der künstlichen Ventilation des Lungensystems schwächer
geworden sind oder der Patient sich an die künstliche Ventilation gewöhnt hat, wird ein
Entwöhnungsprotokoll 36 aktiviert, das ebenfalls weiter unten mehr im Einzelnen
beschrieben wird. Normalerweise folgen dieses Protokolle stets der selben Reihenfolge:
Öffnung, Reduktion, Aufrechterhaltung und Entwöhnung.
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Das vorliegende künstliche Ventilationssystem basiert grundsätzlich auf dem Konzept eine
ausreichende Oxygenierung des Blutsystems mit einem Minimum an negativen
Auswirkungen auf das kardio-pulmonare System vorzusehen. Um dieses Ziel zu erreichen
muß die grundsätzliche Funktion der Lunge und insbesondere der Alveolen betrachtet
werden. In Fig. 3 ist dies in Form eines Volumen-Druck-Diagramms illustriert. In dem
Diagramm ist eine Kurve 35 gezeichnet, um die Beziehung zwischen dem Volumen und dem
Druck in einer kollabierten Alveole zu veranschaulichen. In einem ersten Bereich 35A der
Kurve 35 steigt der Druck schnell an, während das Volumen nur langsam zunimmt. Der
Grund für dieses wurde oben unter Bezugnahme auf das La Place-Gesetz erläutert. Um die
Alveole zu öffnen, ist ein hoher Druck erforderlich. Wenn die Alveole sich aufzublähen
beginnt, nimmt das Volumen im zweiten Bereich 35B rascher zu. An einem Punkt 35C kehrt
sich die Kurve 35 um. Dieser Punkt wird als Öffnungsdruck Poa der Alveole bezeichnet. Die
Alveole dehnt sich dann aus und hat eine Zunahme im Volumen bei niedrigeren
Distensionsdrücken zur Folge. Dies setzt sich durch den gesamten dritten Bereich 35D fort,
bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Bei diesem Gleichgewicht ist ein zweiter Wendepunkt 35E.
Eine weitere Ausdehnung der Alveole macht in Folge der retroaktiven Kraft des Gewebes
eine Zunahme im Druck erforderlich. Diese Beziehung wird bis zu einem vierten Bereich
35F aufrechterhalten. Hier ist die Alveole so weit aufgeblasen, dass die Brust physisch eine
weitere Ausdehnung verhindert. Eine Zunahme im Druck in dieser Stufe kann zu einer
Beschädigung des Lungengewebes und zu einer Depression des kardio-vaskulären Systems
führen. In dem Diagramm sind der Schließdruck Pc und der ideale Spitzeninspirationsdruck
PIP und der positive endexpiratorische Druck PEEP angegeben. Die Differenz zwischen PIP
und PEEP ist die Druckamplitude ΔP für den Inspirationsimpuls. Dieses Beziehung wird
dann auf die gesamte Lunge extrapoliert.
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Eine erste Routine zur Verwirklichung der logischen Regelsätze bzw. Protokolle ist in Fig. 4
dargestellt. Das abgebildete Flußdiagramm veranschaulicht die verschiedenen Schritte, die zu
unternehmen sind, um die optimale Oxygenierung zu erhalten. Es erscheint hier zweckmäßig
zuerst einige weitere Prinzipien zu erläutern, die hinter der optimalen künstlichen Ventilation
eines Patienten stehen, zusätzlich zu jenen, die bereits anhand von Fig. 3 erläutert worden
sind. Die Idee ist, eine ausreichende alveolare Ventilation verfügbar zu machen, d. h.
Sauerstoff zuzuführen und Kohlendioxid zu entfernen. Dies ist jedoch nicht ausreichend.
Vorzugsweise sollte nur Luft benutzt werden (d. h. eine geringe eingeatmete
Sauerstoffkonzentration) und es muß jegliche Beschädigung des kardio-pulmonaren Systems
minimiert werden. Die Oxygenierung von Blut wird durch Messen des
Sauerstoffpartialdruckes (PaO&sub2;) gesteuert, anstelle von beispielsweise der Sauerstoffsättigung
(SaO&sub2;). PaO&sub2; wird bevorzugt, da es den Gasaustausch selbst bei 100% SaO&sub2; reflektiert.
Ferner sollten die Drücke, insbesondere der spitzeninspiratorische Druck PIP und die
Druckamplitude des Inspirationsimpulses so niedrig wie möglich sein, da sie dann den
geringsten physischen Schaden auf die Lunge und das kardio-vasculäre System ausüben. Da
die Atemfrequenz (RR) und das Inspirations-/Expirations-Zeit-Verhältnis (I : E-Verhältnis)
den Druck innerhalb der Lunge am Ende der Expiration beeinflussen können, den
sogenannten inneren positiven endexpiratorischen Druck (Intrinsic-PEEP oder PEEPi)
werden diese ebenfalls variiert, um sie zu optimieren.
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Für die meisten Patienten können PIP, PEEP (PIP-PEEP = Druckamplitude), RR und das
I : E-Verhältnis durch relativ einfache Mittel optimiert werden, dank der durch die Erfindung
erhaltenen Einblicke. PaO&sub2;, der Blutdruck und der Expirationsfluß ΦE sind die notwendigen
gemessenen Parameter. Die Realisierung der Bedeutung und Verbindung zwischen diesen
Parametern hat eine echte Ventilation mit Regelkreis möglich gemacht.
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Zurückkehrend zu Fig. 4 beginnt im ersten Block 38 die gesamte Prozedur. Im zweiten
Block 40 werden durch die Steuereinheit die Meßwerte des Sauerstoffpartialdruckes PaO&sub2; und
des Beatmungszustandes, wie Atemfrequenz RR, ausgelesen. Eine Bestimmung, ob die
Lunge ausreichend offen ist oder nicht, wird dann im Block 42 durchgeführt. Diese
Bestimmung basiert in diesem Fall grundsätzlich auf dem gemessenen PaO&sub2;. Falls der
gemessene PaO&sub2; niedriger als ein vorgegebener Schwellwert ist, wird die Lunge als nicht
offen festgestellt. Wenn dies der Fall ist, Ausgabe Nein in Block 42, wird das
Öffnungsprotokoll in Block 44 aktiviert. In der Eröffnungsprotokollprozedur wird die Lunge
geöffnet und die Oxygenierung des Blutes dadurch verbessert. Es können neue Einstellungen
erforderlich sein. Eine weitere Messung von PaO&sub2; und ein Auslesen der Einstellungen werden
dann erneut in Block 40 ausgeführt, bevor ein weiterer Test des Zustandes der Lunge in
Block 46 erfolgt.
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Bei diesem Schritt wird geprüft, ob ein Schließdruck Pc festgestellt worden ist. Wenn nicht,
Ausgabe Nein in Block 46, wird das Reduktionsprotokoll, Block 48, aktiviert. Wenn das
Reduktionsprotokoll durchlaufen ist, werden die Messungen und Lesevorgänge des Blockes
40 erneut ausgeführt. Während der Reduktionsprotokollprozedur wird bestimmt, ob neue
Einstellungen bevorzugt werden und ob eine Hypoventilation oder Hyperventilation vorliegt.
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Wenn der Schließdruck Pc festgestellt worden ist, Ausgabe Ja in Block 46, wird im Block 50
das Aufrechterhaltungs- und Entwöhnungsprotokoll aktiviert. Die Aufrechterhaltungs- und
Entwöhnungsprotokoll-Prozedur wird ausgeführt, um die Lunge offenzuhalten und
schließlich den Patienten von der Abhängigkeit der künstlichen Ventilation zu entwöhnen. Im
Block 52, der dem Aufrechterhaltungs- und Entwöhnungsprotokoll folgt, wird geprüft, ob
oder ob nicht die Entwöhnung erfolgreich gewesen ist. Falls nicht, Ausgabe Nein in Block
52, werden die Messungen und Lesevorgänge des Blocks 40 erneut ausgeführt. Falls
andererseits die Entwöhnung erfolgreich gewesen ist, Ausgabe Ja in Block 52, ist die
Behandlung zu Ende, Block 54, und der Patient kann vom künstlichen Ventilationssystem
abgetrennt werden.
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Unter Bezugnahme nun auf die Fig. 5 bis 17 wird eine zweite Routine zur Erzielung einer
optimalen Ventilation des Lungensystems eines Patienten beschrieben. Die unterschiedlichen
Protokolle werden ebenfalls in Verbindung mit der zweiten Routine näher im Einzelnen
beschrieben.
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In Fig. 5 veranschaulicht ein Flußdiagramm die Gesamtgrundlage der zweiten Routine. Die
Prozedur beginnt mit dem Startblock 56 und fährt in Block 58 weiter mit einem Versuch ein
optimales Verhältnis zwischen Inspirationszeit und Expirationszeit (I : E-Verhältnis) zu finden.
Solange dieses nicht gefunden worden ist, Ausgabe Nein in Block 60, wird diese Prozedur
fortgesetzt. Wenn das optimale I : E-Verhältnis gefunden worden ist, Ausgabe Ja in Block 60,
wird eine optimale Atemfrequenz (RR) gesucht, Block 62. Wie beim I : E-Verhältnis setzt sich
die Prozedur, die optimale Atemfrequenz (RR) zu finden, solange fort, solange die optimale
RR nicht gefunden worden ist. Wenn die optimale RR festgestellt worden ist, Ausgabe Ja in
Block 64, geht die zweite Routine weiter, Block 66, um den Öffnungsdruck Po zu finden.
Wie bei den vorhergehenden Bestimmungen, wird die Schleife zwischen Block 68 und Block
66 solange durchlaufen, bis der Öffnungsdruck Po gefunden ist. Die Blöcke 66 und 68
entsprechen somit dem oben erwähnten Öffnungsprotokoll. In einigen Fällen wird ein
"echter" Öffnungsdruck Po, nicht gefunden (im wesentlichen in Folge eines sehr schlimmen
Zustandes der Lunge). Die zweite Routine fährt dann fort mit dem Reduktionsprotokoll, das
im Block 70 beginnt, um den Schließdruck Pc zu finden. Der Schließdruck Pc ist
grundsätzlich der Druck, bei dem die Lunge erneut zu kollabieren beginnt, nachdem sie
geöffnet worden ist. In Block 72 wird diese Prüfung durchgeführt bis der Schließdruck Pc
gefunden worden ist. Der gefundene Öffnungs- und Schließ-Druck (Po, Pc) werden dann
sequentiell eingestellt und die Lunge wird gemäß dem Aufrechterhaltungsprotokoll in Block
74 offengehalten. Die zweite Routine wird in Block 76 mit dem Entwöhnen des Patienten
beendet.
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In Fig. 6 sind zwei Diagramme dargestellt. Das erste zeigt für einen Inspirationsimpuls 78
den Druck über der Zeit. Der Inspirationsimpuls 78 weist einen niedrigen Druck beim
PEEP-Pegel und einen Spitzendruck PIP auf. Der Impuls 78 besitzt eine Inspirationsphase,
die während der Inspirationszeit ti andauert und eine Expirationsphase, die während der
Expirationszeit te andauert. Unterhalb des Druck-Zeit-Diagramms zeigt ein Fluß-Zeit-
Diagramm den Fluß zu und vom Patienten während der Inspiration und der Expiration. Die
Flußkurve 80 beginnt mit einem scharfen Anstieg bis zu einem maximalen Inspirationsfluß
DPI und einen endinspiratiorischen Fluß ΦEI. Der endinspiratorische Fluß ΦEI sollte stets 0
(null) sein. Die Tidal-Volumen werden dann Zeit gehabt haben, sich wieder innerhalb der
Lunge zu verteilen. Während der Expiration wird zunächst ein hoher Fluß hervorgerufen,
der spitzenexpiratorische Fluß ΦPE, da die Druckdifferenz zwischen der Lunge und der
äußeren Umgebung hoch ist. Am Ende der Expiration wird der endexpiratorische Fluß ΦEE
gemessen. Der endexpiratorische Fluß FEE ist größer als 0, wenn ein neuer
Inspirationsimpuls beginnt, bevor sich die Druckdifferenz zwischen dem Gas in der Lunge
und der äußeren Umgebung (Luftschläuche) ausgeglichen hat. Basierend auf dem
spitzenexpiratorischen Fluß ΦPE und dem endexpiratorischen Fluß ΦEE kann ein Verhältnis
dieser Flüsse berechnet werden, d. h. der EEPk-Fluß. Auf der Grundlage des EEPk-Flusses
können das optimale I : E-Verhältnis und die optimale RR bestimmt werden, wie dies in den
Flußdiagrammen in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist.
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Die Teilschritte zum Finden des optimalen I : E-Verhältnisses bei der zweiten Routine sind in
Fig. 7 beschrieben, wo der erste Block 82 den Startblock darstellt. Der erwähnte EEPk-Fluß
(EEPkΦ) wird dann mit einem gewünschten EEPkΦ-Wert verglichen, in diesem Fall mit
dem Wert 40. Da der endexpiratorische Fluß ΦEE stets kleiner als der spitzenexpiratorische
Fluß ΦPE ist, ist EEPkΦ stets keiner als 1. Der gewünschte Wert 40 bezieht sich somit auf
den Teil, d. h. auf 0,40 oder 40%. Der gewünschte Wert 40, der bei diesem Beispiel benutzt
wird, kann aus einem beliebigen Wert zwischen 1 und 99 ausgewählt werden, abhängig
davon, welcher Patient an das Ventilationssystem angeschlossen ist (d. h., Alter, Größe oder
Gewicht, Geschlecht, Grund für die Notwendigkeit einer künstlichen Ventilation, etc.). Die
Auswahl eines guten Wertes kann erfolgen auf der Kenntnis der Datenbank. Ein bevorzugtes
Intervall für den gewünschten EEPkΦ ist jedoch 30 bis 40. Dasselbe gilt für das I : E-
Verhältnis, das gewöhnlich auf den Prozentsatz bezogen wird. Falls der EEPk-Fluß diesen
gewünschten EEPkΦ-Wert überschreitet, Ausgabe Nein in Block 84, ist das optimale I : E-
Verhältnis für den Patienten gefunden worden, Block 86. Falls der EEPk-Fluß unterhalb 40
liegt, Ausgabe Ja in Block 84, wird das I : E-Verhältnis mit einer Maximumeinstellung für das
I : E-Verhältnis verglichen, Block 88. Ähnlich wie oben hängt der Wert des maximalen I : E-
Verhältnisses vom Patienten und seinem/ihrem Zustand ab. Es ist irgendein Prozentsatz
zwischen 1 und 99% möglich. Wiederum liefert die Kenntnis der Datenbank einen
Vorzugswert für den speziellen Patienten. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das maximale
I : E-Verhältnis 80%. Falls sich das I : E-Verhältnis bereits beim Maximum befindet, Ausgabe
Nein in Block 88, wird dieses I : E-Verhältnis als optimales I : E-Verhältnis für die betreffende
Zeit benutzt, da in Folge des Zustandes des Patienten ein besserer Wert nicht bestimmt
werden kann. Die Folge kommt dann zu einem Ende, Block 86.
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Liegt das I : E-Verhältnis jedoch unterhalb des Maximums, Ausgabe Ja in Block 88, dann
wird das I : E-Verhältnis mit einem ersten Schwellwert für das I : E-Verhälmis verglichen, in
diesem Fall mit 67%. Falls das I : E-Verhältnis 67% überschreitet, Ausgabe Nein in Block
90, wird ein neues I : E-Verhältnis so eingestellt, dass es gleich der Summe von 40 minus
EEPk-Fluß und dem gegenwärtigen I : E-Verhältnis ist. Die Prozedur der Bestimmung und
des Vergleichens des EEPk-Flusses mit dem gewünschten EEPkΦ-Wert in Block 84 wird
dann wiederholt. Wenn jedoch das I : E-Verhältnis unterhalb 67% liegt, Ausgabe Ja in Block
90, wird der EEPk-Fluß in Block 94 mit einem ersten EEPkΦ-Schwellwert verglichen. Bei
diesem zweiten Vergleich ist der Schwellwert 15. Falls der EEPk-Fluß 15 überschreitet,
Ausgabe Nein in Block 94, wird entsprechend Block 92 ein neues I : E-Verhältnis eingestellt.
Falls der EEPk-Fluß jedoch unter 15 liegt, Ausgabe Ja in Block 94, dann wird das I : E-
Verhältnis auf den maximalen Wert für das I : E-Verhältnis gesetzt, Block 96. Die Prüfung
wird dann in Block 84 wieder aufgenommen durch Bestimmen und Vergleichen des
gegenwärtigen EEPk-Flusses mit dem ersten EEPkΦ-Schwellwert.
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In ähnlicher Weise stellt das Flußdiagramm in Fig. 8 die zum Auffinden der optimalen
Atemfrequenz RR erforderlichen Teilschritte dar. Diese Prozedur beginnt mit dem Startblock
98 und wie bei der Bewertung des optimalen I : E-Verhältnisses wird der EEPk-Fluß mit
einem gewünschten EEPkΦ-Wert, wiederum 40, in Block 100 verglichen. Falls der EEPk-
Fluß den gewünschten EEPkΦ-Wert überschreitet, Ausgabe Nein, ist die optimale
Atemfrequenz RR gefunden worden und die Prozedur endet im Block 102. Falls jedoch der
EEPk-Fluß unterhalb des gewünschten EEPkΦ-Wertes liegt, Ausgabe Ja in Block 100, wird
die Atemfrequenz RR mit einem Maximalwert für die Atemfrequenz RR in Block 104
verglichen. Falls die Atemfrequenz RR bereits gleich dem Maximalwert für die
Atemfrequenz RR ist, Ausgabe Nein, ist eine optimale Atemfrequenz RR (für die
gegenwärtige Zeit) gefunden worden und die Prozedur endet in Block 102.
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Falls die Atemfrequenz RR unterhalb des Maximalwertes für die Atemfrequenz liegt,
Ausgabe Ja in Block 104, wird der EEPk-Flußwert mit einem zweiten EEPkΦ-Schwellwert
verglichen, Block 106. In diesem Fall ist der zweite EEPkΦ-Schwellwert 20. Falls der
EEPk-Fluß unterhalb 20 liegt, Ausgabe Ja, wird eine neue Atemfrequenz RR eingestellt auf
das zweifache der gegenwärtigen Atemfrequenz RR. Falls der EEPk-Fluß oberhalb 20 liegt,
Ausgabe Nein im Block 106, wird der EEPk-Fluß mit einem dritten EEPkΦ-Schwellwert, in
diesem Fall 30, in Block 110 verglichen. Falls der EEPk-Fluß oberhalb 30 liegt, Ausgabe
Nein, wird eine neue Atemfrequenz RR auf das 1,2fache der gegenwärtigen Atemfrequenz
RR in Block 112 eingestellt und der EEPk-Fluß dann bestimmt und erneut mit dem ersten
EEPkΦ-Schwellwert von 40 verglichen, Block 100.
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Falls der EEPk-Fluß den dritten EEPkΦ-Schwellwert von 30 nicht überschreitet, Ausgabe Ja
in Block 110, wird eine neue Atemfrequenz RR in Block 114 so eingestellt, dass sie gleich
dem 1,5fachen der Atemfrequenz ist und die Bewertung des EEPk-Flusses wird in Block 100
erneut aufgenommen.
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Auf diese Bewertungsschritte für das I : E-Verhältnis und RR, wie sie in den Fig. 6 und 7
beschrieben sind, folgt dann das Öffnungsprotokoll. In Fig. 9 ist eine Reihe von
Inspirationsimpulsen 116A bis 116F zum Bestimmen eines Öffnungsdruckes Po gezeigt. Die
ersten beiden Inspirationsimpulse 116A weisen einen positiven endexpiratorischen Druck von
PEEP&sub1; und einen spitzeninspiratorischen Druck von PIP&sub1; auf. Sie haben eine Inspirationszeit
von ti und eine Expirationszeit von te. Die Inspirations- und Expirationszeit sind gemäß den
Schemata in den Fig. 7 und 8 bewertet worden (sowohl das I : E-Verhältnis, wie auch RR
beeinflussen ti und te). Falls die ersten Inspirationsimpulse 116A nicht ausreichen die Lunge
ausreichend zu öffnen, was durch ein ausreichendes PaO&sub2; angezeigt wird, wird ein neuer
Inspirationsimpuls oder eine Folge von Inspirationsimpulsen 116B eingesetzt. Der zweite
Inspirationsimpuls 116B weist einen erhöhten Spitzendruck PIP&sub2; aber denselben PEEP&sub1; wie
die ersten Inspirationsimpulse 116A auf. In konsekutiven Schritten werden die PIP- und/oder
PEEP-Werte vergrößert, solange die Lunge teilweise geschlossen bleibt. Die Prozedur wird
fortgesetzt entweder bis die Lunge genügend geöffnet ist oder die maximalen Einstellungen
für den PIP- und PEEP-Pegel erreicht sind.
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Die Prozedur zum Erhalten des Öffnungsdruckes Po und zum Bestimmen der
Inspirationsimpulsfolge ist im Flußdiagramm in Fig. 10 beschrieben, wo der Startblock 118
den Startpunkt für das Öffnungsprotokoll anzeigt. Der Sauerstoffpartialdruck PaO&sub2; wird
zunächst in Block 120 analysiert (nach der Abgabe einer Anzahl von Inspirationsimpulsen)
und der gemessene PaO&sub2; mit einem PaO&sub2;-Schwellwert verglichen, um zu beurteilen, ob oder
nicht die Lunge genügend offen ist. Wenn die Lunge genügend offen ist, Ausgabe Ja, hat die
Prozedur den Öffnungsdruck Po gefunden und die Sequenz endet in Block 124. Wenn die
Lunge nicht ausreichend offen ist, wird die Prozedur stattdessen fortfahren mit Block 126,
wo das Tidal-Volumen Vt mit einem Vt-Schwellwert von 7 ml/kg verglichen wird. Der
beispielhafte Schwellwert (7 ml/kg) könnte auch aus einem weiteren Bereich, 1 bis 20 ml/kg
ausgewählt werden, abhängig vom Patienten. Üblicherweise werden Werte zwischen 5 und 7
ml/kg benutzt. Mit anderen Worten, falls der Patient 70 kg wiegt, ist in diesem Fall der Vt-
Schwellwert 490 ml. Das Gewicht des Patienten ist auf dem Steuerfeld 10 oder dem
Monitorschirm 16 eingetragen, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Alternativ kann
die Überwachungseinheit 14 mit einer Skala 14F zum Wiegen des Patienten ausgestattet
werden. Anstelle des Gewichtes könnte zum Bestimmen des Tidal-Volumens die
Körpergröße benutzt werden. Der Fettanteil des Patienten beeinflußt dann nicht den Tidal-
Volumen-Wert (die Menge an Fett steht nicht in Wechselbeziehung zur Größe der Lunge).
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Falls das Tidal-Volumen Vt oberhalb der Vt-Schwelle liegt, Ausgabe Ja, wird in Block 128
nach Hypoventilation gesucht. Hypoventilation bedeutet, dass die Alveolen eine
unzureichende Ventilation erhalten und somit der Kohlendioxidgehalt CO&sub2; in der Lunge und
im Blutsystem des Patienten ansteigt. Falls keine Hypoventilation vorliegt, Ausgabe nein,
wird der Intrinsic-PEEP gemessen und mit einem zulässigen maximalen Intrinsic-PEEP
verglichen. Falls sich der Intrinsic-PEEP unterhalb des maximalen Intrinsic-PEEP-Wertes
befindet, Ausgabe Ja, wird der externe PEEP mit einem maximalen externen PEEP-Wert in
Block 132 verglichen. Falls der externe PEEP den maximalen externen PEEP-Wert nicht
überschreitet, Ausgabe Nein, wird ein neuer PEEP gleich dem gegenwärtigen PEEP + 2
cmH&sub2;O gesetzt, Block 138. Die Prozedur nimmt dann die PaO&sub2;-Analyse erneut auf bei Block
120. Da es einige Zeit dauert bis PaO&sub2; auf eine Zunahme im Gasaustausch, als Folge einer
Zunahme in der Menge der geöffneten Alveolen, reagiert, soll eine oder sollen einige
Minuten verstreichen, bevor die Messung durchgeführt wird.
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Falls der externe PEEP jedoch gleich dem maximalen externen PEEP-Wert ist oder diesen
überschreitet, Ausgabe Nein in Block 132, wird eine Bewertung durchgeführt, ob neue
Maxima erlaubt sind oder nicht, Block 140. Falls ein neuer maximaler Wert für PEEP
zulässig ist, wird die Prozedur in Block 120 mit einem neuen maximalen PEEP-Wert wieder
aufgenommen. Gleichermaßen wird, falls der Intrinsic-PEEP als oberhalb des maximalen
PEEP&sub1;-Wert liegend festgestellt worden ist, Ausgabe Nein in Block 130, bewertet ob ein
neuer Maximalwert erlaubt werden sollte, Block 140.
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Gehen wir nun zurück zu Block 126, wo das Tidal-Volumen Vt mit dem Vt-Schwellwert von
7 ml/kg verglichen wurde. Falls das Tidal-Volumen Vt kleiner als dieser ist, fährt die
Prozedur fort bei Block 142 und vergleicht den gegenwärtigen PIP mit einem maximalen
PIP-Wert. Der maximale PIP-Wert könnte irgendein Wert zwischen 20 und 70 cmH&sub2;O sein,
liegt aber vorzugsweise zwischen 40 und 60 cmH&sub2;O. Falls der gegenwärtige PIP kleiner als
der maximale PIP-Wert ist, Ausgabe Ja, wird ein neuer PIP so eingestellt, dass er gleich dem
vorhergehenden PIP + 2 cmH&sub2;O ist und die PaO&sub2;-Analyse wird erneut in Block 120
aufgenommen. Sollte PIP jedoch oberhalb des maximalen PIP-Wertes liegen, Ausgabe Nein,
dann wird erneut in Block 140 bewertet, ob neue Maxima gewährt werden könnten oder
nicht. Ansonsten ist die Prozedur zu Ende, Block 124, und der gegenwärtige PIP-Druck ist
der Öffnungsdruck Po. In einem solchen Fall kann die Lunge geöffnet werden ohne eine zu
große Beschädigung der Lunge zu riskieren. Falls schließlich Hypoventilation vorliegt,
Ausgabe Ja in Block 128, wird PIP erneut mit dem maximalen PIP-Wert in Block 142
verglichen und die Prozedur fährt fort wie beschrieben. Hierdurch kann ein Öffnungsdruck
Po oder der maximal zulässige Druck für alle Lungensysteme gefunden werde.
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Es soll bemerkt werden, dass der Öffnungsdruck auch nach einer anderen bekannten
Prozedur zum Auffinden eines Öffnungsdruckes gefunden werden kann, insbesondere jenen
wie sie in den früheren schwedischen Patentanmeldungen 9502031-9 und 9502032-7
beschrieben sind. Eine weitere Art einen Öffnungsdruck zu erhalten ist in SE-C-501 560
beschrieben.
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Wenn der Öffnungsdruck gefunden worden ist, fährt die zweite Routine fort mit dem
Reduktionsprotokoll, das den Blöcken 70 und 72 in Fig. 5 entspricht. Die erste Phase des
Reduktionsprotokolls ist, zu bestimmen, bei welchem Druck die Lunge erneut zu kollabieren
beginnt, d. h. den Schließdruck Pc zu bestimmen. In Fig. 11 ist eine Reihe von
Inspirationsimpulsen 146A bis 146E dargestellt. Diese Inspirationsimpulse 146A bis 146E
entsprechen der in Fig. 9 gezeigten Inspirationsimpulsfolge (aber mit sich vermindernden
Werten PIP und PEEP. Somit hat der zweite Inspirationsimpuls 146B einen niedrigeren PIP
als der erste Inspirationsimpuls 146A und der dritte Inspirationsimpuls 146C hat einen noch
kleineren PIP. Für den vierten Inspirationsimpuls 146D sind sowohl der PEEP als auch der
PIP reduziert worden und für den vierten und fünften Inspirationsimpuls 146E und 146F sind
kleine Änderungen im PIP vorgenommen worden. Die Prozedur zum Finden des
Schließdruckes Pc ist im Flußdiagramm in Fig. 12 beschrieben und beginnt mit dem
Startblock 148.
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Ähnlich zu den Schritten zum Auffinden des Öffnungsdruckes Po wird der PaO&sub2; in Block 150
analysiert und danach in Block 152 eine Prüfung vorgenommen, ob die Lunge offen ist oder
nicht. Bei allen weiteren Bezugnahmen auf das Messen von PaO&sub2; wird angenommen, dass
Änderungen im Zustand der Alveolen die Zeit hatten, den PaO&sub2; zu beeinflussen. Wenn die
Lunge nicht mehr offen ist, ist der Schließdruck Pc bestimmt worden und die Prozedur zum
Auffinden des Schließdruckes wird in Block 154 beendet. Dies wird jedoch normalerweise
nicht am Anfang der Prozedur der Fall sein und die Lunge ist normaler Weise offen,
Ausgabe Ja in Block 152. Es wird dann geprüft, ob eine schwere Hypoventilation vorliegt,
Block 156. Falls eine schwere Hypoventilation vorliegt, Ausgabe Ja, wird geprüft, ob der
externe PEEP einen minimalen externen PEEP-Wert überschreitet, Block 162. Falls der
externe PEEP kleiner als der minimale externe PEEP-Wert ist, Ausgabe Nein, wird geprüft,
ob ein neues Minimum erlaubt werden sollte, Block 160. Falls nicht, endet die Prozedur in
Block 154. Falls ein neuer Minimalwert erlaubt wird, Ausgabe Ja, nimmt die Prozedur im
Block 150 wieder die Analyse von PaO&sub2; auf. Falls der externe PEEP höher als der minimale
externe PIP-Wert ist, Ausgabe Ja, wird ein euer PEEP eingestellt, der gleich dem
gegenwärtigen PEEP - 2 cmH&sub2;O ist, Block 164, und die Prozedur nimmt wieder die Analyse
von PaO&sub2; im Block 150 auf.
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Falls die Prüfung für eine schwere Hypoventilation in Block 156 zu einer negativen Antwort
führt, Ausgabe Nein, wird geprüft, ob PIP den minimalen PIP-Wert in Block 166
überschreitet. Falls der PIP kleiner als der minimale PIP-Wert ist, Ausgabe Nein, fährt die
Prozedur fort, eine Hyperventilation zu prüfen, Block 158. Eine Hyperventilation wird
durch eine unnötig hohe Ventilation der Alveolen verursacht und durch eine niedrige
Kohlendioxidproduktion angezeigt. Dies kann gemessen werden entweder in dem
ausgeatmeten Atemgas oder durch Analysieren des Partialdrucks von Kohlendioxid PaCO&sub2; im
Blut. Falls eine Hyperventilation vorliegt, Ausgabe Ja, ist es nötig zu prüfen, ob neue
minimale Wert erlaubt werden sollten oder nicht, Block 160. Kehren wir nun zu Block 158
und die Steuerung bei einer Hyperventilation zurück. Falls keine Hyperventilation vorliegt,
Ausgabe Nein, wird PEEP wie oben beschrieben in Block 162 bewertet.
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Liegt jedoch PIP noch über dem Minimum, Ausgabe Ja im Block 166, fährt die Prozedur
fort, in Block 168 durch Prüfen, ob das Tidal-Volumen Vt kleiner als 7 ml/kg ist (ähnlich der
Prüfung in Verbindung mit Fig. 10). Falls das Tidal-Volumen Vt tatsächlich kleiner als
dieser Vt Schwellwert ist, Ausgabe Ja, fährt die Prozedur fort durch Prüfen im Block 170, ob
eine Hypoventilation vorliegt, und wenn sie vorliegt, Ausgabe Ja, wird die Prozedur wieder
aufgenommen bei Block 162.
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Falls eine der Prüfungen in den Blöcken 168 und 170 negativ ausfällt, d. h. falls das Tidal-
Volumen (Vt) oberhalb 7 ml/kg liegt oder falls keine Hypoventilation vorliegt, wird der
gegenwärtige PIP mit einem ersten PIP-Schwellwert in Block 172 verglichen. In diesem Fall
ist der erste PIP-Schwellwert 40 cmH&sub2;O. Falls PIP oberhalb des ersten PIP-Schwellwertes
liegt, was zu Beginn der Schließdruckprozedur (Pc) gut der Fall sein könnte, wird ein neuer
PIP eingestellt, der gleich den gegenwärtigen PIP minus einem ersten vorgegebenen
Dekrement, beispielsweise 3 cmH&sub2;O ist, Block 174. Nachdem der neue PIP gesetzt worden
ist, wird PaO&sub2; erneut analysiert, Block 150. Wiederum sollte hier eine bestimmte Zeit
verstreichen, bevor die Analyse durchgeführt wird, um sicherzustellen, dass Reaktionen im
Lungen- und Blut-System infolge des verringerten PIP, Zeit haben, stattzufinden. Falls der
gegenwärtige PIP bereits unter 40 cmH&sub2;O liegt, Ausgabe Nein in Block 172, wird der
gegenwärtige PIP mit einem zweiten PIP-Schwellwert in Block 176 verglichen. Der zweite
PIP-Schwellwert ist in diesem Fall 25 cmH&sub2;O und falls der gegenwärtige PIP diesen zweiten
PIP-Schwellwert überschreitet, Ausgabe Ja, wird ein neuer PIP eingestellt, der gleich dem
gegenwärtigen PIP minus einem zweiten vorgegebenen Dekrement, beispielsweise 2 cmH&sub2;O,
ist, Block 178. Wie zuvor wird, wenn ein neuer Wert eingestellt worden ist, der PaO&sub2; in
Block 150 analysiert. Sollte PIP noch unter 25 cmH&sub2;O liegen, wird er mit einem dritten PIP-
Schwellwert verglichen, Block 180. Der dritte PIP-Schwellwert ist der programmierte
minimale PIP-Wert, der beispielsweise 20 cmH&sub2;Q betragen könnte. Da PIP normalerweise
ein gemessener PIP-Wert ist, könnte er bei dieser Stufe unterhalb des minimalen PIP-Wertes
liegen, obwohl er oberhalb des minimalen Wertes war, bei der im Block 166
vorgenommenen Steuerung. Sollte dies auftreten, wird die Prozedur wieder aufgenommen
bei Block 148, wie es der Fall war, wenn der PIP in Block 166 unterhalb des minimalen PIP-
Wertes lag. Normalerweise liegt jedoch bei dieser Stufe der Prozedur der gegenwärtige PIP
wenigstens über dem minimalen Wert, Ausgabe Ja, und ein neuer PIP wird eingestellt, um
gleich dem laufenden PIP minus einem dritten vorbestimmten Dekrement, beispielsweise 1
cmH&sub2;O zu sein, Block 182. Die Prozedur fährt dann wieder fort durch Analysieren des PaO&sub2;
in Block 150. Diese Prozedur mit aufeinanderfolgender Absenkung der PIP- und PEEP-
Werte setzt sich fort bis die Lunge angesehen wird, erneut kollabiert zu haben. Mit anderen
Worten, wenn der gemessene PaO&sub2; unter einen vorgegebenen PaO&sub2;-Schwellwert fällt oder
eine bedeutende Änderung zwischen zwei PaO&sub2;-Messungen zeigt, welche oberhalb eines
bestimmten definierten Pegels liegt, endet die Prozedur.
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Es sollte bemerkt werden, das Änderungen im Blutgasparameter (PaO&sub2;) auch zum Bestimmen
neuer Einstellungen benutzt werden können. Beispielsweise, wenn Öffnungs- und Schließ-
Drücke bestimmt werden, könnte die Änderung im gemessenen PaO&sub2; für die Bestimmung
eines neuen PIP oder PEEP benutzt werden.
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Wenn der Schließdruck Pc ermittelt worden ist, kann die nächste Phase folgen, die in den
Schritten besteht, die Lunge offenzuhalten. Dies ist im Flußdiagramm in Fig. 13 dargestellt.
Der Start ist in Block 184 angezeigt und das erste, was zu tun ist, ist die vorgegebenen
Öffnungs- und Schließdrücke (Po, Pc) nacheinander festzulegen, Block 186. Da diese
Prozedur die Hauptaufgabe darstellt, die Lunge offenzuhalten, wird dies in den Blöcken 187
und 188 geprüft durch Analysieren des PaO&sub2; und Vergleichen dieses Wertes mit dem
Schwellwert. Sollte zu irgendeiner Zeit festgestellt werden, dass die Lunge nicht offen ist,
wie es im gemessenen PaO&sub2; reflektiert wird, muß ein neuer Öffnungsdruck 1% und
Schließdruck Pc gefunden werden, d. h. die in den Flußdiagrammen der Fig. 9 und 11
beschriebenen Prozeduren würden wiederholt werden, um diese zwei wesentlichen
Druckwerte zu finden. Solange die Lunge offen bleibt, Ausgabe Ja, setzt sich die
Aufrechterhaltungsprozedur fort durch Prüfen auf Hyperventilation in Block 192. Falls keine
Hyperventilation vorliegt, Ausgabe Nein, wird statt dessen geprüft, ob Hypoventilation
vorliegt, Block 194. Solange keine Hypoventilation vorliegt, Ausgabe Nein, wird in Block
195 die Hämodynamik geprüft. Diese Steuerungen bezüglich Hyperventilation in Block 192,
Hypoventilation in 194 und bezüglich der Hämodynamik in Block 195 sind alle wesentlichen
Teile in der Hauptstruktur der Erfindung zum Ventilieren des Patienten mit den niedrigst
möglichen Drücken ohne Erschwernisse für das Lungensystem oder das Blutsystem. Falls die
Hämodynamik ebenfalls OK ist, Ausgabe Ja in Block 195, endet die Prozedur in Block 196.
Diese Prozedur wird dann während der Behandlung des Patienten in vorgegebenen
Intervallen wiederholt, um sicherzustellen, dass der Zustand des Patienten noch stabil ist.
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Sollte eine Hyperventilation vorliegen, Ausgabe Ja in Block 192, ist zu bewerten, ob diese
von der Atemfrequenz, dem PEEP-Druck, dem PIP abhängig ist, oder ob der Totraum
vergrößert werden kann. Diese Bewertungsprozedur ist in einem Flußdiagramm in Fig. 14
dargestellt.
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Die Bewertung beginnt in Block 206 und das erste, was zu tun ist, ist die Atemfrequenz um
einen Faktor 1, 2 zu vergrößern, Block 208. Es wird dann auf Hyperventilation geprüft,
Block 210, und falls die Zunahme in der Atemfrequenz erfolgreich war, wird keine
Hyperventilation mehr vorliegen und die Bewertung endet in Block 212. Falls noch eine
Hyperventilation vorliegt, Ausgabe Ja, wird geprüft, ob die Atemfrequenz RR bereits
zweimal vergrößert worden ist, Block 214. Falls nicht, wird die Atemfrequenz erneut um
einen Faktor 1,2 vergrößert, Block 208, und erneut auf Hyperventilation geprüft. Falls die
Atemfrequenz RR zweimal vergrößert worden ist, Ausgabe Ja, in Block 214, dann wird die
Atemfrequenz nicht weiter vergrößert. Statt dessen wird geprüft, ob PEEP größer als der
maximale PEEP-Wert ist, Block 216. Falls PEEP niedriger als der maximale PEEP-Wert ist,
wird PEEP um 2 cmH&sub2;O vergrößert, Block 218. Es wird dann geprüft, ob die Zunahme im
PEEP eine Auswirkung auf die Hyperventilation hatte, Block 220. Falls keine
Hyperventilation mehr vorliegt, endet die Bewertung, Block 212, mit den neuen
Einstellungen für die Atemfrequenz RR und PEEP. Falls jedoch noch eine Hyperventilation
vorliegt, wird PEEP in Schritten von 2 cmH&sub2;O vergrößert bis er den maximalen PEEP-Wert
erreicht. Wenn während dieser Zeit die Hyperventilation nicht beendet worden ist, wird statt
dessen der PEEP zu verringern sein, Block 222. PIP wird um 1 cmH&sub2;O verringert. Nach
dieser Verringerung wird zunächst geprüft, ob die Lunge noch offen ist oder nicht, Block
224. Falls sie offen ist, wird geprüft, ob die Zunahme im PIP in der Lage war die
Hyperventilation zu stoppen, Block 226. Falls keine Hyperventilation vorliegt, ist die
Bewertung erfolgreich gewesen und endet in Block 212. Falls noch eine Hyperventilation
vorliegt, wird der Totraum des Ventilationssystems vergrößert, Block 228. Der Totraum
wird dann solange vergrößert, bis keine Hyperventilation mehr vorliegt. Nach jeder
Zunahme im Totraum wird auch geprüft, ob die Lunge noch ausreichend offen ist, Block
224. Sollte der gemessene PaO&sub2; anzeigen, dass die Lunge nicht mehr geöffnet ist, muß sie
erneut geöffnet werden, Block 230, und die Aufrechterhaltungsprozedur muß dann erneut
aufgenommen werden, Block 232. Es sollte bemerkt werden, dass Block 232 in Fig. 14, die
Lunge offenzuhalten, der zu Fig. 13 beschriebenen Prozedur die Lunge offenzuhalten
entspricht.
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Falls der Totraum vergrößert werden muß, gibt es hierfür mehrere Lösungswege. Eine
Sofortlösung besteht natürlich darin, physisch den Totraum zu vergrößern, insbesondere
durch Hinzufügen von mehr Rohr- bzw. Schlauchleitungen zwischen dem Patienten und dem
künstlichen Ventilationssystem. Dies macht es jedoch erforderlich den Patienten vom
künstlichen Ventilationssystem zu trennen, und wenn sich er/sie noch nicht ausreichend
erholt hat, könnte dies zu einem Lungenkollaps führen. Wenn neue Schlauchleitungen
hinzugefügt sind, müßte so die gesamte Prozedur wiederholt werden, durch Starten des
Bewertungsschemas vom Beginn an. Dies ist der Hauptgrund, weshalb geprüft wird, ob die
Lunge noch offen ist, nach der jeweiligen Zunahme im Totraum.
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In Fig. 16 ist ein Verbindungssystem 6 für das künstliche Ventilationssystem dargestellt. Das
Verbindungssystem 6 verbindet die Antriebseinheit 2 für das Beamtungsgas und den
Patienten 4 miteinander. Das Verbindungssystem enthält eine Mischkammer 254 in der die
Gase von entsprechenden Gaseinlässen 2A, 2B, 2C zu dem Atemgas gemischt werden. Das
gemischte Atemgas wird über einen Inspirationsschlauch 256 zu einem Trachealrohr 258
oder einem entsprechenden Verbindungsrohr zu dem Patienten geführt. Ausgeatmetes
Atemgas wird vom Patienten über das Trachealrohr 258 und einen Expirationsschlauch 260
geleitet. Auf dem Trachealrohr 258 könnte ein Abschnitt 262, bestehend aus einem
expandierbaren, komprimierbaren Material angeordnet werden, um den Totraum ohne
Abtrennung des Patienten zu beeinflussen. Durch Expandieren des Abschnittes 262 nimmt
der Totraum zu.
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Ein anderer Weg, den Totraum zu vergrößern, wird erreicht durch den Einsatz eines ersten
Ventils 264 und eines zweiten Ventils 266. Das erste Ventil ist innerhalb des
Expirationsschlauches 260 angeordnet und kann den Fluß im Expirationsschlauch 260
steuern. Das zweite Ventil 266 ist in einer Verbindung zwischen dem Inspirationsschlauch
und dem Expirationsschlauch innerhalb der Gasliefereinheit 2 angeordnet. Das zweite Ventil
266 ist normalerweise geschlossen und das Atemgas durchströmt das Verbindungssystem 6
wie beschrieben. Durch Öffnen des zweiten Ventils 266 und Schließen des ersten Ventils 264
während des letzten Abschnittes der Expiration, ist das Expirationsgas nicht in der Lage in
den Expirationsschlauch 260 zu strömen, da dieser durch das erste Ventil 264 verschlossen
worden ist. Statt dessen strömt das ausgeatmete Gas in den Inspirationsschlauch 256 in
Richtung zur Öffnung zwischen dem Inspirationsschlauch 256 und dem Expirationsschlauch
260, d. h. dem zweiten Ventil 266. Ein Teil des Inpsirationsschlauches 256 wirkt dann als
eine Ausdehnung des Trachealrohres 258 oder arbeitet als eine Ausdehnung des Abschnittes
262. Wenn der nächste Inspirationsimpuls geliefert wird, öffnet das erste Ventil 264 und das
zweite Ventil 266 schließt und die Inspiration beginnt wie jede andere normale Inspiration.
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Es wird auch eine weitere Gasverbindung 268 in das System eingeschlossen. Die weitere
Gasverbindung ist mit einer steuerbaren Gasquelle verbunden und endet im Trachealrohr
258. Der Gasfluß innerhalb des weiteren Gasschlauches 268 kann gleichzeitig mit dem
Atemgasfluß gesteuert werden, so dass die gesamte dem Patienten zugeführte Gasmenge in
einem hohen Ausmaß gesteuert wird. Der weitere Gasschlauch 268 könnte in einer noch
weiteren Art für die Vergrößerung des Totraumes oder vielmehr dazu benutzt werden, einen
ähnlichen Effekt zu erzielen. Anstelle einer physischen Änderung des Totraumes könnte dem
Atemgas entweder direkt durch einen der Gaseinlässe 2A, 2B, 2C oder über den weiteren
Gasschlauch 268 eine kleine Menge an Kohlendioxid zugesetzt werden. Dieses Hinzufügen
von Kohlendioxid könnte so getätigt werden, das beim Einsetzen der Inspiration eine kleine
Menge an Kohlendioxid zugeführt wird, wodurch ein vergrößerter Totraum simuliert wird.
Die zugefügte Kohlendioxidmenge könnte für jeden Patienten individuell berechnet werden
durch Vergleich entweder mit Werten, die gemessen wurden, wenn keine Hyperventilation
vorlag, oder durch Vergleich mit dem Körpergewicht oder mit anderen Berechnungen.
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Wenn sämtliche Prüfungen, die von der Erfassung der Hyperventilation herrühren,
durchgeführt worden sind und die Bewertungen zu einer neuen Einstellung irgendeiner Art
geführt haben, wird die Aufrechterhaltungsprozedur in Fig. 13 wieder aufgenommen.
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(Erneut bezugnehmend auf Fig. 13). Sollte statt dessen eine Hypoventilation vorliegen,
Ausgabe Ja in Block 194, wird eine Bewertung in Block 200 vorgenommen, ob der Totraum
(DS) zu groß ist, oder ob ein falscher spitzeninspiratorischer Druck PIP vorliegt. Diese
Bewertung ist in Fig. 15 dargestellt, die mit dem Startblock 234 beginnt. Zunächst wird
geprüft, ob der Totraum den Minimalwert des Totraumes überschreitet, Block 236. Falls der
Totraum den Minimalwert überschreitet, wird der Totraum vermindert, Block 238. Danach
wird erneut geprüft, ob eine Hypoventilation vorliegt oder nicht, Block 240. Falls nicht, ist
die Bewertung vorüber, Block 242. Solange eine Hypoventilation vorliegt und der Totraum
den Minimalwert übersteigt, wird diese Sequenz wiederholt. Falls noch eine Hypoventilation
vorhanden ist, wenn der Totraum den Minimalwert des Totraumes erreicht, Ausgabe Nein in
Block 236, wird geprüft, ob der gegenwärtige PIP den maximal erlaubten PIP überschreitet,
Block 244. Falls der gegenwärtige PIP den maximalen PIP nicht überschreitet, wird der
gegenwärtige PIP-Wert um 1 cmH&sub2;O vergrößert, Block 246. Wie bei der für die
Hyperventilation-Situationen beschriebenen Bewertung wird PIP dann um 1 cmH&sub2;O
vergrößert, bis die Hypoventilation endet oder der Maximal-PIP erreicht wird. Der Maximal-
PIP gewährleistet wiederum, dass schädigende Drücke vermieden werden. So wird nach der
Hypoventilation gesehen, Block 248. Wenn die Hypoventilation beendet ist, bevor der
gegenwärtige PIP den Maximal-PIP erreicht hat, ist die Bewertung in Block 242 am Ende.
Wenn die Hypoventilation jedoch weiterbesteht, Ausgabe Ja in Block 246, und der
gegenwärtige PIP den Maximal-PIP erreicht hat, dann muß für die betreffende Zeit die
Hypoventilation akzeptiert werden und die Bewertung kommt in Block 242 zu einem Ende.
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Ähnlich zur Hyperventilationsbedingung könnte der Totraum leicht verändert werden durch
physisches Entfernen einiger Schlauchleitungen, die das Auftreten der Hypoventilation beim
Patienten hervorrufen. Erneut würde dies bedeuten, dass die gesamte Prozedur wiederholt
werden müßte, da die Lunge des Patienten während der Abtrennung des Patienten dem
Risiko ausgesetzt ist, zu kollabieren. Unter nochmaliger Bezugnahme auf Fig. 16, der Patient
muß nicht notwendigerweise abgetrennt werden. Der expandierbare Abschnitt 262 könnte
zusammengedrückt werden, um den Totraum zu verringern. Ein anderer Weg zur
Verringerung des Totraumes ist es, am Ende der Expirationsphase über die weitere
Gasleitung 268 Luft zu liefern. Hierbei wird das zuletzt ausgeatmete Volumen mit einer
definierten Menge Luft gemischt, und wenn die Inspirationsphase beginnt, ist die wieder
eingeatmete Menge an Atemgas kleiner. Falls der Totraum durch Verwendung der oben
beschriebenen Funktion (Fig. 16) des ersten Ventils 264 und des zweiten Ventils 266
vergrößert worden ist, kann der Totraum leicht verkleinert werden, indem man zu einem
normalen Inspirations-/Expirations-Zeitablauf zurückkehrt, d. h. nicht diese Funktion des
ersten Ventils 264 und des zweiten Ventils 266 benutzt.
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Falls die Prüfung für die Hämodynamik, Block 195 in Fig. 13, anzeigen sollte, dass eine
Hämodynamik-Depression vorliegt, ist es notwendig zu prüfen, ob ein Pneumothorax
vorliegt, d. h. ob Luft in den Pleuraraum in der Lunge eintritt, Block 201. Pneumothorax
wird in vielen Fällen durch eine Penetration der Brustwand verursacht. In einem offenen
Pneumothorax kollabiert die Lunge und trägt nicht zur Ventilation bei. Während der
künstlichen Ventilation besteht jedoch eine höhere Wahrscheinlichkeit, das hier ein
Pneumothorax geschlossen wird. Der geschlossene Pneumothorax ist ein Riß in der Lunge,
der eine direkte Verbindung zwischen dem Bronchialsystem und dem Pleuraraum verursacht.
Wenn ein Pneumothorax vorliegt, Ausgabe Ja, muß der Druck entspannt bzw. herabgesetzt
werden, Block 202, z. B. durch Einsetzen einer Bruströhre. Die Hämodynamik wird
vorzugsweise gesteuert durch Überprüfung der kardiovaskulären Depression auf der
Grundlage der durch die Überwachungseinheit vorgenommenen Blutdruckmessungen.
Andere bekannte Messungen, die die hämodynamische Depression anzeigen, können
natürlich auch benutzt werden.
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Wenn eine kardiovaskuläre Depression, aber kein Pneumothorax vorliegt, Ausgabe Nein in
Block 201, oder wenn ein Pneumothorax in einer früheren Stufe beseitigt worden ist, sollte
eine intravaskuläre Fluidaufforderungen gegeben werden, Block 204. Falls die
Fluidaufforderung erfolgreich ist, sollten bis zu einem zulässigen Maximalvolumen mehr
Fluids gegeben werden. Daraufhin sollten dem Patienten kardiovaskuläre aktive
Medikamente gegeben werden, um die Schmerzen und negativen Nebenwirkungen für den
Patienten zu überwinden. Wenn alle diese Maßnahmen unternommen worden sind, was der
Arzt durch Einreihen eines bestimmten Codes auf dem Steuerfeld oder auf dem
Monitorschirm im künstlichen Ventilatorsystem anzeigen könnte, ist die
Aufrechterhaltungssequenz im Block 196 zu Ende.
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Die Steuereinheit läuft in vorgegebenen Zeitintervallen durch die
Aufrechterhaltungsprozedur.
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Wenn sich der Zustand des Patienten ausreichend gebessert hat, ist es Zeit ihn/sie zu
entwöhnen. Das Grundprinzip beim Entwöhnen eines Patienten ist es nicht, den Patienten zu
zwingen, sofort spontan zu atmen. Zunächst langsam und dann, wenn der Patient eine
ausreichende Menge spontaner Atemzüge ausführt, kann ein schnellerer Übergang aus der
gesteuerten Ventilation zur Unterstützung der Ventilationsarten erfolgen.
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In Fig. 17 ist dies durch ein Flußdiagramm beschrieben. Das Entwöhnungsprotokoll bzw. -
verfahren beginnt in Block 270. Wie bei den vorhergehenden Protokollen wird PaO&sub2;
gemessen, Block 272. Der gemessene PaO&sub2; wird dann mit einer ersten Schwelle T1
verglichen, Block 274. Die erste Schwelle T1 entspricht einem Pegel guter Oxygenierung. Es
sei erinnert, dass in dieser Stufe der Behandlung eines Patienten die Lunge offen ist, und sich
der Patient praktisch von dem Zustand erholt hat, der eine künstliche Ventilation erforderlich
gemacht hat.
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Sollte der PaO&sub2; kleiner als die erste Schwelle T1 sein, Ausgabe Nein, dann wird er mit einer
zweiten Schwelle T2 verglichen, Block 276. Die zweite Schwelle T2 entspricht einem Pegel
der Oxygenierung, die als ausreichend betrachtet wird. Falls der PaO&sub2; gleich der zweiten
Schwelle T2 ist oder diese überschreitet, d. h. falls er zwischen die erste Schwelle T1 und die
zweite Schwelle T2 fällt, werden die gegenwärtigen Einstellungen für die betreffende Zeit
aufrechterhalten und eine neue Messung von PaO&sub2; wird durchgeführt, nachdem eine
vorgegebene Zeit verstrichen ist, in diesem Fall 10 Minuten, Block 278, und die Prozedur
wird bei Block 272 wieder aufgenommen.
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Sollte der gemessene PaO&sub2; in Block 274 gleich der ersten Schwelle T1 sein oder diese
überschreiten, wird die spontane Atemfrequenz (RRS) des Patienten gemessen und mit einer
RRS-Schwelle verglichen, Block 280. Die RRS-Schwelle korreliert mit einer ausreichenden
spontanen Atmung und falls die gemessene Frequenz diese Schwelle überschreitet, Ausgabe
Ja, ist die Entwöhnung zu Ende, Block 282.
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Sollte jedoch die gemessene spontane Atemfrequenz unzureichend sein oder falls der
gemessene PaO&sub2; niedriger als die zweite Schwelle T2 ist, wird eine Bewertung der
Einstellungen vorgenommen, Block 284, bevor die Prozedur wieder in Block 272 mit neuen
Einstellungen fortfährt. Abhängig davon, ob der gemessene PaO&sub2; zu niedrig war oder die
gemessene spontane Atemfrequenz zu niedrig war, können die Einstellungen von PIP, PEEP,
RR und das I : E-Verhältnis vergrößert oder verringert werden.
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Es sollte bemerkt werden, dass die in der Beschreibung für die Schwellwerte benutzen
Zahlenwerte ebenso wie für Minima und Maxima nur als Beispiel gegeben worden sind.
Diese Zahlenwerte könnten unterschiedlich sein, unter anderem abhängig von der zu
behandelnden Spezies (menschlich oder tierisch), vom Alter (neugeboren, Kind, jugendlich,
erwachsen) und der Art der Krankheit. In der einfachsten Realisierung des
erfindungsgemäßen künstlichen Ventilationssystems ist dieses geeignet automatisch
wenigstens 90 bis 99% aller Erwachsenen zu behandeln und fordert in den verbleibenden
Fällen (bevor auch sie automatisch behandelt werden können) übergeordnete Einstellungen
von einem Arzt.