LU102031B1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Festlegung der Sollfrequenz eines Beatmungsgeräts - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Signalverarbeitungseinheit und ein Beatmungsgerät, welche automatisch einen Sollwert für die Frequenz festlegen, mit welcher das Beatmungsgerät Beatmungshübe ausführt und dadurch einen Patienten künstlich beatmet. Ein alveoläres oder proximales Minutenvolumen wird vorgegeben. Eine Lungenzeitkonstante für die Lunge des Patienten wird ermittelt. Das Volumen eines Totraums in einer Fluidverbindung zwischen der Lunge und dem Bearbeitungsgerät wird ermittelt. Eine mandatorische Sollfrequenz (fset.mand) für die mandatorische Beatmung des Patienten wird berechnet. Eine ideale Frequenz (fspon), mit welcher der Patient durch spontane Atmung das Minutenvolumen erzielen kann, wird berechnet. Die Soll-Beatmungsfrequenz wird als gewichtetes Mittel der mandatorischen Sollfrequenz (fset.mand) und der idealen Frequenz (fspon) berechnet. Die Mittelung hängt von der ermittelten Intensität der spontanen Atmung des Patienten ab.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Festlegung der 10106080 Sollfrequenz eines Beatmungsgerats Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um automatisch einen Sollwert für die Frequenz festzulegen, mit welcher ein Beatmungsgerät Beatmungshübe ausführt und dadurch einen Patienten künstlich beatmet.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung werden in EP 3332827 A1 beschrieben.
Die Frequenz, mit der ein Patient künstlich beatmet werden soll, wird automatisch berechnet.
Die Berechnung hängt von einem angestrebten Minutenvolumen sowie einem vorgegebenen funktionalen Totraum ab, außerdem von einem vorgegebenen Lungenmodell, einer abgespeicherten Lungenzeitkonstante, z.B.
R*C, und einem vorgegebenen Zeitdauerverhältnis, z.B.
Inspiration | zu Exspiration E.
Die Frequenz wird so berechnet, dass ein von der Frequenz abhängender Parameter minimiert wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist dieser Parameter die Summe aus W'c und Wr, also der Leistung W’c, die zum Dehnen der Lunge erforderlich ist, und der Leistung Wr, die zur Überwindung des pneumatischen Widerstands im Atemweg erforderlich ist.
Um die Sollfrequenz festzulegen, wird eine Optimierung durchgeführt, im Ausführungsbeispiel eine iterative Optimierung.
In US 20090007915 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, um automatisch Werte für Parameter einer künstlichen Beatmung zu berechnen.
Eine gewünschte Frequenz RR® der Beatmung wird festgelegt, und eine Frequenz RRspon der spontanen Atmung wird ermittelt.
Die beiden Frequenzen werden miteinander verglichen.
Abhängig von der Abweichung wird ein Zielwert für die Beatmung festgelegt.
Der Zielwert kann insbesondere die gesamte alveoläre Ventilation oder das absolute oder relative Minutenvolumen sein.
Falls die Frequenz der spontanen Atmung signifikant von der Sollfrequenz abweicht, so wird der Zielwert für die Beatmung vergrößert. 20201001LU 02.09.2020
-2/45- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung 17106081 bereitzustellen, welche automatisch die Soll-Beatmungsfrequenz eines Beatmungsgeräts festlegen, wobei diese Festlegung für einen relativ breiten Anwendungsbereich gültig ist und wobei es nicht erforderlich sein soll, das Beatmungsgerat zwischen unterschiedlichen Modi umzuschalten. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Signalverarbeitungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch ein Beatmungsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinheit und des erfindungsgemäßen Beatmungsgeräts und umgekehrt.
Zwischen der Lunge eines Patienten, welcher künstlich zu beatmen ist, und dem erfindungsgemäßen Beatmungsgerät ist wenigstens zeitweise eine Fluidverbindung hergestellt oder lässt sich herstellen. Das Beatmungsgerät ist wenigstens zeitweise mit mindestens einem Patienten-Sensor verbunden oder lässt sich mit mindestens einem Patienten-Sensor verbinden. Der oder jeder Patienten-Sensor vermag jeweils mindestens einen Parameter des künstlich zu beatmenden oder beatmeten Patienten zu messen.
Die erfindungsgemäße Signalverarbeitungseinheit sowie das erfindungsgemäße Beatmungsgerät umfassen einen Datenspeicher oder weisen wenigstens zeitweise Lesezugriff auf einen Datenspeicher auf. In diesem Datenspeicher ist ein Maß für einen angestrebten Volumenfluss in die Lunge des Patienten abgespeichert. Ein solcher angestrebte Volumenfluss wird dem erfindungsgemafen Verfahren vorgegeben.
Ein Volumenfluss ist das Volumen von Fluid, das in einer bestimmten Zeiteinheit in einen und / oder aus einem Raum fließt. Der angestrebte Volumenfluss ist insbesondere ein gefordertes alveoläres oder proximales Minutenvolumen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte, und die erfindungsgemäße Signalverarbeitungseinheit und das erfindungsgemäße Bearbeitungsgerät sind dazu ausgestaltet und eingerichtet, die folgenden Schritte durchzuführen: 20201001LU 02.09.2020
-3/45- — Eine Lungenzeitkonstante für die Lunge des Patienten wird ermittelt. Hierfür 1010608 werden gemessene Werte mindestens eines Parameters des Patienten verwendet, insbesondere Werte von dem oder mindestens einem Patienten- Sensor.
— Das Volumen eines Totraums wird ermittelt. Dieser Totraum befindet sich in der Fluidverbindung zwischen einen Bereich der Lunge, der zum Gasaustausch mit dem Blut des Patienten geeignet ist, und dem Beatmungsgerät. Bevorzugt befindet der Totraum sich zwischen einem Messpunkt am Mund des Patienten oder in einem Bereich der Fluidverbindung, der zwischen dem Mund und dem Beatmungsgerät ist, und dem zum Gasaustausch geeigneten Bereich der Lunge.
— Eine mandatorische Sollfrequenz für die mandatorische Beatmung des Patienten durch das Beatmungsgerät wird berechnet. Diese mandatorische Sollfrequenz wird abhängig von dem vorgegebenen angestrebten Volumenfluss, der ermittelten Lungenzeitkonstante und dem ermittelten Totraum-Volumen berechnet.
— Eine ideale Spontanatmungs-Frequenz für die spontane Atmung des Patienten wird berechnet. Mit dieser idealen Spontanatmungs-Frequenz vermag der Patient den angestrebten Volumenfluss zu erzielen, und zwar allein durch spontane Atmung. Diese ideale Spontanatmungs-Frequenz wird abhängig von der ermittelten Lungenzeitkonstante und dem ermittelten Totraum-Volumen berechnet, bevorzugt unter Verwendung eines Modells für die Atmungsaktivitat eines Patienten.
— Ein Maß für die aktuelle Intensität der spontanen Atmung des Patienten wird ermittelt.
— Die gesuchte Soll-Beatmungsfrequenz wird als gewichtetes Mittel der mandatorischen Sollfrequenz und der idealen Spontanatmungs-Frequenz berechnet. Welche Gewichtung, insbesondere welcher Gewichtsfaktor, in diesem gewichteten Mittel verwendet wird, hängt von dem ermittelten MaB für die Intensität der spontanen Atmung des Patienten ab.
Das Beatmungsgerät vermag Beatmungshübe abhängig von der berechneten Soll-Beatmungsfrequenz durchzuführen, insbesondere Beatmungshübe mit der berechneten Soll-Beatmungsfrequenz durchzuführen.
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„4/45 - Erfindungsgemäß wird automatisch eine Soll-Beatmungsfrequenz für das LU102031 Beatmungsgerat berechnet.
Daher vermeidet die Erfindung die Notwendigkeit, eine Soll-Beatmungsfrequenz von Hand festzulegen.
Möglich ist, dass das Bearbeitungsgerat mit dieser automatisch berechneten Soll-Beatmungsfrequenz betrieben wird, insbesondere Beatmungshübe gemäß dieser Soll-Beatmungsfrequenz ausführt.
Bevorzugt ist es möglich, dass einem Benutzer des Beatmungsgerats die automatisch berechnete Soli- Beatmungsfrequenz angezeigt wird und dass eine Eingabe des Benutzers erfasst und ausgewertet wird, insbesondere erfasst wird, ob der Benutzer die angezeigte Soll-Beatmungsfrequenz bestätigt oder mit einem anderen Wert überschreibt.
Erfindungsgemäß wird ein Maß für einen angestrebten Volumenfluss in die Lunge und aus der Lunge des Patienten vorgegeben, also das in die Lunge und das aus der Lunge strômende Volumen von Gas pro Zeiteinheit.
Bevorzugt ist der angestrebte Volumenfluss ein angestrebtes alveoläres oder proximales Minutenvolumen.
Bevorzugt ist dieser angestrebte Volumenfluss der Fluss von Volumen in denjenigen Bereich der Lunge hinein und aus demjenigen Bereich der Lunge heraus, der für den Austausch von Gasen mit dem Blut des Patienten zur Verfügung steht.
Die Gase sind insbesondere O2 und CO2 sowie optional mindestens ein Anästhesiemittel.
Erfindungsgemäß werden eine mandatorische Sollfrequenz für die mandatorische Beatmung des Patienten sowie eine ideale Spontanatmungs- Frequenz für die spontane Atmung des Patienten berechnet.
Unter einer mandatorischen Beatmung wird die künstliche Beatmung eines vollständig sedierten Patienten verstanden, also eines Patienten, der aktuell überhaupt nicht spontan atmet.
Mit der idealen Spontanatmungs-Frequenz für die spontane Atmung vermag der Patient den angestrebten Volumenfluss ohne die künstliche Beatmung zu erzeugen, wobei bevorzugt die ideale Spontanatmungs-Frequenz eine vorgegebene Zielfunktion optimiert.
Bevorzugt ist die ideale Spontanatmungs-Frequenz diejenige Frequenz, mit welcher der Patient den angestrebten Volumenfluss mit der geringsten Arbeit oder der geringsten Leistung zu erzielen vermag, besonders bevorzugt die Frequenz, die zu einer 20201001LU 02.09.2020
-5/45- mittleren mechanischen Leistung während der Inspiration führt (energieeffiziente LU102031 Frequenz). Die Soll-Beatmungsfrequenz wird erfindungsgemäß als gewichtete Zusammenfassung, insbesondere als gewichtetes Mittel, der mandatorischen Sollfrequenz und der idealen Spontanatmungs-Frequenz für die spontane Atmung berechnet.
Die Soll-Beatmungsfrequenz hängt also von einem Gewichtungsfaktor ab, wobei dieser Gewichtungsfaktor wiederum von einem ermittelten Maß fur die aktuelle spontane Atmung des Patienten abhängt.
Je größer dieses Maß für die spontane Atmung ist, je intensiver also aktuell die spontane Atmung ist, desto größer ist der Gewichtungsfaktor und damit der Beitrag der idealen Spontanatmungs-Frequenz zur berechneten Soll- Beatmungsfrequenz.
Das erfindungsgemäße Merkmal, dass eine gewichtete Zusammenfassung berechnet wird, trägt dem Umstand Rechnung, dass oft ein Patient nicht während der künstlichen Beatmung durchgehend vollständig sediert ist, sondern wenigstens zeitweise spontan atmet.
Die künstliche Beatmung unterstützt diese spontane Atmung.
Der Patient atmet dann aufgrund einer Überlagerung von spontaner Atmung und künstlicher Beatmung.
In der Regel löst ein spontaner Atemzug einen Beatmungshub des Beatmungsgeräts aus.
Bei schwacher oder fehlender spontanen Atmung führt das Bearbeitungsgerat zusätzliche Beatmungshübe aus, also Beatmungshübe, die nicht durch die spontane Atmung ausgelöst werden.
Von der erfindungsgemäß berechneten Soll- Beatmungsfrequenz und der spontanen Atmung hängt es ab, wie viele solche zusätzlichen Beatmungshübe ausgeführt werden.
Die Gefahr wird reduziert, dass zu wenige oder zu viele Beatmungshübe ausgeführt werden, der Patient also zu wenig oder zu viel Luft erhält.
Eine künstliche Beatmung kann eine mandatorische Beatmung (Patient atmet überhaupt nicht spontan) oder eine unterstützende Beatmung (künstliche Beatmung unterstützt seine spontane Atmung) sein.
Dank der Erfindung ist es nicht erforderlich, das Beatmungsgerat zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Modi umzuschalten, nämlich mindestens einem Modus für die mandatorische Beatmung und mindestens einem Modus für die unterstützende 20201001LU 02.09.2020
| -6/45- Beatmung.
Ein solches Umschalten könnte zu einer abrupten Änderung der FI künstlichen Beatmung führen.
Dank der Erfindung lässt sich die künstliche Beatmung vielmehr an die aktuelle Intensität der spontanen Atmung anpassen, und zwar auch dann, wenn der angestrebte Volumenfluss gleich bleibt und die Intensität der spontanen Atmung sich ändert.
Die erfindungsgemäß berechnete Soll-Beatmungsfrequenz lässt sich auch für die beiden Sonderfälle anwenden, dass der Patient vollständig sediert ist und dass die Beatmungshübe ausschließlich von der spontanen Atmung des Patienten ausgelöst werden.
Im ersten Fall wird also gar kein Beatmungshub von der spontanen Atmung ausgelöst, im zweiten Fall jeder Beatmungshub.
Diese beiden Sonderfälle brauchen dank der Erfindung nicht notwendigerweise detektiert zu werden, um die Soll-Beatmungsfrequenz festzulegen.
Ausreichend ist, das Maß für die spontane Atmung zu detektieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich gleichermaßen für die beiden Sonderfälle sowie für viele Situationen zwischen diesen beiden Sonderfällen anwenden, also einer relativ schwachen spontanen Atmung.
Die mandatorische Sollfrequenz wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit von dem angestrebten Volumenfluss sowie von dem ermittelten Totraum-Volumen und der ermittelten Lungenzeitkonstante berechnet.
Die ideale Spontanatmungs- Frequenz hängt mindestens von der Lungenzeitkonstante und dem Totraum- Volumen ab.
Aus diesem Grund hängt die berechnete mandatorische Sollfrequenz von pneumatischen Eigenschaften der Lunge sowie von einem angestrebten Volumenfluss in die Lunge und aus der Lunge ab.
Daher wird die mandatorische Sollfrequenz an die Lunge eines künstlich zu beatmenden Patienten angepasst.
Weil erfindungsgemäß die Lungenzeitkonstante des Patienten ermittelt und verwendet wird, werden folgende beiden Gefahren bei der künstlichen Beatmung reduziert: — Aufgrund einer zu hohen Beatmungsfrequenz erreicht zu wenig Atemluft den alveolären Lungenraum.
Dieser unerwünschte Effekt tritt insbesondere bei einer Lunge mit einem hohen Lungenwiderstand (resistance) R und daher einer großen Lungenzeitkonstante 71 auf.
Insbesondere kann die 20201001LU 02.09.2020
-7/45- unerwünschte Situation auftreten, dass bei der Exspiration zu wenig LU102081 verbrauchte Atemluft aus der Lunge herausflieRt. Die Lunge wird quasi immer weiter aufgeblasen. Dies tritt vor allem bei verstopften Atemwegen, insbesondere bei einer Raucherlunge, auf. — Aufgrund einer zu niedrigen Beatmungsfrequenz wird die Lunge überdehnt, insbesondere weil das erzielte Tidalvolumen zu groß ist. Dieser unerwünschte Effekt tritt insbesondere bei einer Lunge mit einer geringen Elastizität (Compliance) C und daher einer kleinen Lungenzeitkonstante 1 auf. Die Erfindung ermöglicht es, erspart aber die Notwendigkeit, für die Berechnung der mandatorischen Sollfrequenz die Elastizität oder die Compliance oder den pneumatischen Widerstand der Lunge getrennt voneinander zu ermitteln. Eine solche Ermittlung ist in der Praxis aber häufig gar nicht möglich, mit relativ großen Fehlern behaftet und / oder belastet den Patienten erheblich. Dank der Erfindung ist vielmehr ausreichend, eine Lungenzeitkonstante zu ermitteln.
Auch die erfindungsgemäß berechnete ideale Spontanatmungs-Frequenz für die spontane Atmung des Patienten hängt von dem Patienten ab, nämlich von dem ermittelten Totraum-Volumen, der zu einem erheblichen Teil im Körper des Patienten auftritt, sowie von dem angestrebten Volumenfluss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die mandatorische Sollfrequenz abhängig von einer idealen mandatorischen Sollfrequenz sowie einer oberen Schranke für die mandatorische Sollfrequenz berechnet. Besonders bevorzugt ist die mandatorische Sollfrequenz gleich der idealen mandatorischen Sollfrequenz oder der oberen Schranke, je nachdem, welcher dieser beiden Werte kleiner ist.
Die ermittelte obere Schranke hängt von der ermittelten Lungenzeitkonstante und bevorzugt zusätzlich von dem ermittelten Totraum-Volumen und / oder von dem angestrebten Volumenfluss ab. Die obere Schranke kann das Minimum von mehreren einzelnen oberen Schranken sein, wobei eine erste einzelne Schranke von der Lungenzeitkonstante und eine weitere einzelne Schranke von dem Totraum-Volumen und / oder vom Volumenfluss abhängt.
Weil die mandatorische Sollfrequenz nicht größer ist als diese obere Schranke, wird die Gefahr weiter verringert, dass die Lunge durch eine zu hohe Frequenz 20201001LU 02.09.2020
-8/45- oder durch ein zu großes Tidalvolumen zu stark mechanisch belastet wird oder 1102081 nicht genügend Atemluft erhält.
Insbesondere wird vermieden, dass die künstliche Beatmung durch eine zu hohe Frequenz lediglich Atemluft in beide Richtungen durch den Totraum bewegt, ohne dass eine ausreichende Menge von Atemluft den zum Gastaustausch geeigneten Bereich der Lunge erreicht und ohne dass eine ausreichende Menge von verbrauchter Luft aus der Lunge abgeführt wird.
Falls aber stets die obere Schranke als die mandatorische Sollfrequenz verwendet werden würde, so bestünde die Gefahr, dass die Lunge durch die künstliche Beatmung stärker als erforderlich belastet wird, also stärker als nötig, um den angestrebten Volumenfluss zu erzielen.
Daher kann die mandatorische Sollfrequenz auch kleiner als die obere Schranke sein, nämlich insbesondere gleich einer berechneten idealen mandatorischen Sollfrequenz.
Die ideale mandatorische Sollfrequenz wird abhängig von einem vorgegebenen geforderten Einatmungsanteil berechnet.
Der Einatmungsanteil gibt ein Maß dafür vor, welchen zeitlichen Anteil an einem Atemzyklus ein Einatmungsvorgang durchschnittlich aufweist.
Möglich ist, das Verhältnis zwischen der durchschnittlichen Dauer eines Einatmungsvorgangs und der durchschnittlichen Dauer eines Ausatmungsvorgangs vorzugeben.
Möglich ist auch, die durchschnittliche Dauer eines Einatmungsvorgangs oder die eines Ausatmungsvorgangs vorzugeben.
Die Dauer des Einatmungsvorgangs bzw.
Ausatmungsvorgangs sowie die Beatmungsfrequenz legen einen Einatmungsanteil fest.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, um die ideale mandatorische Sollfrequenz zu berechnen, wird ein Lungenmodell in einer von einem Rechner auswertbaren Form vorgegeben und im Datenspeicher abgespeichert.
Dieses Lungenmodell beschreibt näherungsweise das pneumatische Verhalten der Lunge eines Menschen und damit auch der Lunge des künstlich beatmeten Patienten.
Bevorzugt enthält dieses Lungenmodell mindestens einen Modell-Parameter, insbesondere die Lungenzeitkonstante und / oder das Totraum-Volumen.
Unter Verwendung dieses Lungenmodells lässt sich vorhersagen, welche resistive Leistung und welche elastische Leistung bei einer bestimmten tatsächlichen 20201001LU 02.09.2020
-9/45- Beatmungsfrequenz auf die Lunge einwirken.
Die ideale mandatorische 10102081 Sollfrequenz wird unter Verwendung des vorgegebenen Lungenmodells und des vorgegebenen Einatmungsanteils berechnet.
Unter Verwendung des vorgegebenen Lungenmodells und des geforderten Einatmungsanteils werden eine resistive Leistung und eine elastische Leistung berechnet.
Die resistive Leistung ist die Arbeit pro Zeiteinheit, die bei einem Einatmungsvorgang aufzuwenden ist, um den pneumatischen Widerstand der Lunge zu überwinden.
Die elastische Leistung ist die Arbeit pro Zeiteinheit, die aufzuwenden ist, um die Lunge zu dehnen.
Um die ideale mandatorische Sollfrequenz zu berechnen, wird vorhergesagt, welche Frequenz gemäß dem Lungenmodell und bei dem vorgegebenen Einatmungsanteil zu welcher resistiven Leistung und zu welcher elastischen Leistung führt. | In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird diese ideale mandatorische Sollfrequenz so festgelegt, dass die bewirkte resistive Leistung sich von der bewirkten elastischen Leistung um héchstens einen vorgegebenen Leistungsfaktor unterscheidet, wobei der Leistungsfaktor bevorzugt der Quotient aus den beiden bewirkten Leistungen ist.
Der Leistungsfaktor lasst sich so klein wählen, dass die resistive Leistung nur wenig größer ist als die elastische Leistung.
Diese Ausgestaltung führt in vielen Fallen zu einer relativ geringen Belastung der Lunge, insbesondere weil jedes Tidalvolumen relativ klein ist.
Dennoch bewirkt die Ausgestaltung einen ausreichend großen Volumenfluss in den und aus dem zum Gastaustausch geeigneten Lungen-Bereich, insbesondere den alveolären Lungenraum.
Die vorteilhafte Ausgestaltung mit dem Leistungsfaktor erspart die Notwendigkeit, eine Funktion zu minimieren, welche die gesamte Arbeit oder die gesamte Leistung beschreibt, welche bei der künstlichen Beatmung auf die Lunge einwirkt.
Insbesondere wird die Notwendigkeit erspart, zur Laufzeit eine solche Funktion zu minimieren.
Die Minimierung einer Funktion ist zeitaufwendig.
Falls bei der Minimierung ein iteratives Verfahren angewendet wird und falls zur Laufzeit das Verfahren abgebrochen wird, wenn ein Abbruchkriterium erfüllt ist, so kann die Minimierung zu einem ungünstigen Ergebnis führen.
Ohne ein 20201001LU 02.09.2020
- 10/45 - geeignetes Abbruchkriterium kann die Minimierung zu lange dauern.
Diet "102031 vorteilhafte Ausgestaltung vermeidet die Nachteile einer solchen Minimierung. | In einer bevorzugten Realisierung werden eine Initialisierungsphase und eine nachfolgende Nutzungsphase durchgeführt.
In einer Initialisierungsphase wird eine Konstante berechnet.
Um die Konstante zu berechnen, werden das Lungenmodell und bevorzugt der optional vorgegebene Leistungsfaktor verwendet.
In der nachfolgenden Nutzungsphase wird die ideale mandatorische Sollfrequenz berechnet.
Hierfür werden der Einatmungsanteil, die ermittelte Lungenzeitkonstante sowie die Konstante, die in der Initialisierungsphase berechnet wurde, verwendet.
Diese Ausgestaltung führt häufig zu einem geringeren Rechenaufwand in der Nutzungsphase.
Möglich ist, in der Nutzungsphase erneut die Konstante zu berechnen, beispielsweise aufgrund einer geänderten Vorgabe.
Möglich ist, die in der Initialisierungsphase gewonnene Konstante in mehreren Nutzungsphasen, auch für mehrere Patienten zu verwenden.
In einer Fortbildung dieser Realisierung berechnet eine erste Signalverarbeitungseinheit in der Initialisierungsphase die Konstante.
Eine zweite Signalverarbeitungseinheit berechnet in der Nutzungsphase die ideale mandatorische Sollfrequenz und hieraus die Soll-Beatmungsfrequenz.
Die erste — Signalverarbeitungseinheit ist nicht notwendigerweise ein Bestandteil des Beatmungsgeräts.
Gemäß einer gerade beschriebenen Ausgestaltung wird eine ideale mandatorische Sollfrequenz abhängig von einem vorgegebenen geforderten Einatmungsanteil berechnet.
Bevorzugt ist die ideale mandatorische Sollfrequenz umso größer, je größer der vorgegebene geforderte Einatmungsanteil ist.
Erfindungsgemäß werden eine mandatorische Sollfrequenz für die mandatorische Beatmung des Patienten sowie eine ideale Spontanatmungs- Frequenz fir die spontane Atmung des Patienten berechnet.
Bevorzugt wird die mandatorische Sollfrequenz dergestalt berechnet, dass sie größer oder gleich der idealen Spontanatmungs-Frequenz ist.
Dann ist auch die festgelegte Soll- Beatmungsfrequenz mindestens so groß wie die ideale Spontanatmungs- 20201001LU 02.09.2020
- 11/45 - Frequenz. Dadurch wird eine zu kleine Beatmungsfrequenz vermieden. LU 102057 Insbesondere wird sichergestellt, dass mindestens jeder spontane Atemzug des Patienten einen Beatmungshub auslöst. Erfindungsgemäß wird eine Soll-Beatmungsfrequenz berechnet. Ein Parameter, der häufig an einem Beatmungsgerät eingestellt wird, ist ein gefordertes Tidalvolumen. Dieses geforderte Tidalvolumen ist ein Wert für dasjenige Volumen, welches das Beatmungsgerät bei einem Beatmungshub in die Fluidverbindung einspeisen soll. Das geforderte Tidalvolumen wird abhängig von dem angestrebten Volumenfluss, dem ermittelten Totraum-Volumen und der erfindungsgemäß berechnete Soll-Beatmungsfrequenz berechnet. Das Beatmungsgerät wird mit dem Regelungsziel angesteuert, dass bei mindestens einem Beatmungshub, bevorzugt bei jedem Beatmungshub, das erzielte Tidalvolumen gleich dem berechneten Soll-Tidalvolumen ist. Bevorzugt wird ein Stellglied des Beatmungsgeräts entsprechend angesteuert.
Bei einem Beatmungshub speist das Beatmungsgerät Fluid in die Fluidverbindung ein. Der Druck an einem Messpunkt in der Fluidverbindung steigt, bis er einen Maximalwert erreicht hat. In einer Ausgestaltung wird der tatsächlich erzielte Druck geregelt, wobei ein zeitlicher Verlauf des geforderten Drucks vorgegeben wird und wobei das Regelungsziel bei der Regelung ist, dass der tatsächliche zeitliche Verlauf des Drucks gleich dem vorgegebenen zeitlichen Verlauf ist.
Falls der vorgegebene zeitliche Verlauf des Drucks schlagartig den Maximalwert erreicht, so besteht die Gefahr, dass die Lunge des Patienten geschädigt wird. Daher wird bevorzugt für mindestens einen Beatmungshub, bevorzugt für jedem Beatmungshub, eine geforderte Rampenzeit berechnet. Diese Rampenzeit legt im geforderten zeitlichen Verlauf des Drucks die Zeitspanne fest, die zwischen — dem Beginn des Beatmungshubs und — dem Zeitpunkt, an dem der Maximalwert des Drucks erreicht wird, verstreichen soll. Die Regelung des tatsächlichen zeitlichen Druckverlaufs wird dergestalt durchgeführt, dass die tatsächlich erzielte Rampenzeit gleich der berechneten Soll-Rampenzeit ist. 20201001LU 02.09.2020
-12/45- Bevorzugt wird die Soll-Rampenzeit abhängig von der ermittelten HU102031 Lungenzeitkonstante des Patienten berechnet.
Möglich ist auch, zusätzlich zu der oder anstelle der Lungenzeitkonstante ein Idealgewicht (ideal body weight) des Patienten zu verwenden.
Dieses Idealgewicht lässt sich aus leicht messbaren Parametern des Patienten herleiten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Hierbei zeigt
Figur 1 beispielhaft einen künstlich beatmeten Patienten, ein Beatmungsgerät sowie mehrere Sensoren;
Figur 2 die resistive und die elastische Leistung in Abhängigkeit von der Beatmungsfrequenz;
Figur 3 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Druck, Volumenfluss, resistiver Arbeit und elastischer Arbeit bei einem relativ geringen Lungenwiderstand;
Figur 4 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Druck, Volumenfluss, resistiver Arbeit und elastischer Arbeit bei einem relativ hohen Lungenwiderstand und relativ hoher Beatmungsfrequenz;
Figur 5 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Druck, Volumenfluss, resistiver Arbeit und elastischer Arbeit bei einem relativ geringen Lungenwiderstand, wobei die Rampenzeit zu Beginn eines Beatmungshubs berücksichtigt ist;
Figur 6 wie das Maß für die Intensität der spontanen Atmung des Patienten abhängig von der geleisteten Atemarbeit ermittelt wird;
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- 13/45 -
Figur 7 wie das Maß für die Intensität der spontanen Atmung 10106081 abhängig von dem auftretenden Druck-Zeit-Produkt ermittelt wird;
Figur 8 die gesamte Leistung sowie die Leistung bei spontaner Atmung in Abhängigkeit von der Beatmungsfrequenz;
Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung eingesetzt, um einen Patienten künstlich zu beatmen.
Zwischen der Lunge des Patienten und einem Beatmungsgerät ist eine Fluidverbindung hergestellt.
Durch diese Fluidverbindung wird dem Patienten Atemluft zugeführt.
Optional ist diese | Atemluft mit mindestens einem Anästhesiemittel versetzt, so dass der Patient teilweise oder vollständig sediert wird.
Optional gehört die Fluidverbindung zu einem Beatmungskreislauf, der die ausgeatmete Luft wieder aufnimmt, insbesondere wenn ein Anästhesiemittel zugesetzt ist.
Im Falle eines Beatmungskreislaufs wird aus der ausgeatmeten Atemluft Kohlendioxid (CO2) herausgefiltert.
Figur 1 zeigt beispielhaft einen Patienten P, der künstlich beatmet wird.
Schematisch sind die Lunge Lu, die Speiseröhre Sp, der Magen Ma und das Zwerchfell Zw des Patienten P dargestellt.
Ein Beatmungsgerat 1 mit einer Anzeige- und Bedieneinheit 12 sowie einer datenverarbeitenden Signalverarbeitungseinheit 10 beatmet den Patienten P künstlich.
Die Beatmungsschläuche zwischen dem Beatmungsgerät 1 und dem Patienten P sind nicht dargestellt.
Im Mund des Patienten P befindet sich während der Beatmung ein flexibles Anschlussstück 4 angeordnet.
In einer Ausgestaltung ist indie Speiseröhre des Patienten P ein flexibler Messkatheter 6 gelegt, wobei der Messkatheter 6 in dem Anschlussstück 4 beginnt.
Verschiedene Sensoren messen diverse Vitalparameter des Patienten P und / oder Parameter der Fluidverbindung zwischen dem Beatmungsgerät 1 und der Lunge Lu des Patienten P.
Um die Erfindung auszuführen, brauchen nicht notwendigerweise alle diese Sensoren vorhanden zu sein.
Folgende Sensoren werden in Figur 1 gezeigt: 20201001LU 02.09.2020
- 14/45 - — Ein pneumatischer Sensor 2 umfasst einen Messwertaufnehmer 2.1 LU102031 umfassend eine Öffnung, die in der Nähe des Mundes des Patienten P angeordnet ist und Luft aus der Fluidverbindung abgreift. Die abgegriffene Luft wird über einen Schlauch an einen Drucksensor 2.2 übermittelt, der ein Maß für den Atemwegsdruck Paw (pressure in airway) in der Fluidverbindung und optional ein Maß für den Volumenfluss Vol‘ misst. In einer Ausgestaltung ist der Messwertaufnehmer 2.1 in oder an einem Y-Stück nahe dem Anschlussstück 4 angeordnet, also nahe am Mund des Patienten P.
— Optional misst ein Sensor 15 in oder am Beatmungsgerät 1 ein Maß für das Volumen Vol‘ pro Zeiteinheit des Flusses von Atemluft vom Beatmungsgerât 1 zum Patienten P (inspiratorisches Minutenvolumen) und / oder zurück vom Patienten P zum Beatmungsgerät 1 (exspiratorisches Minutenvolumen).
— Eine Sonde 3 in der Speiserôhre Sp des Patienten P, bevorzugt umfassend einen Messballon, misst ein Maß für den zeitlich veranderlichen pneumatischen Druck Pes (pressure in esophagus) in der Speiserôhre Sp. Die Sonde 3 steht über den Messkatheter 6 in einer Fluidverbindung mit dem Anschlussstück 4 oder ist ein Bestandteil des Messkatheters 6.
— Ein weiterer Messballon der Sonde 3 oder eine optionale gastrale Sonde 7 in Form eines Messballons, die in den Magen Ma gelegt ist, messen ein Maß für den gastralen Druck Pga im Magen Ma.
— Auf der Brust des Patienten P sind mehrere Messelektroden befestigt. Figur 1 zeigt beispielhaft einen herznahen Satz 5.1.1, 5.1.2 von Messelektroden und einen zwerchfellnahen Satz 5.2.1, 5.2.2 von Messelektroden. Mit Hilfe dieser optionalen Messelektroden 5.1.1, ..., 522 werden ein Elektrokardiogramm (EKG) und / oder ein Elektromyogramm (EMG) des Patienten P erzeugt.
Die Signalverarbeitungseinheit 10 vermag automatisch zu ermitteln, wann Luft in das Atemsystem des Patienten P strömt und wann Luft wieder aus dem Atemsystem strömt, vermag also jede Inspirationsphase und jeden Exspirationsphase zu detektieren. Hierfür verwendet die Signalverarbeitungseinheit 10 Messwerte von den Sensoren 2 und 15 und optional von den Messelektroden 5.1.1 bis 5.2.2.
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-15/45- In einer Anwendung ist der Patient P vollständig sediert und atmet nicht spontan, 1192087 führt also selber überhaupt keine oder höchstens einzelne spontane Atemzüge durch. Bei dieser Anwendung führt das Beatmungsgerät 1 eine mandatorische Beatmung durch. In einer anderen Ausgestaltung atmet der Patient P selber wenigstens zeitweise spontan, und das Beatmungsgerät 1 unterstützt seine Beatmung. Möglich sind auch zeitliche Übergänge zwischen diesen beiden Beatmungsmodi.
In beiden Modi der Beatmung führt das Beatmungsgerät 1 eine Abfolge von Beatmungshüben durch. Bei jedem Beatmungshub speist das Beatmungsgerät 1 in die Fluidverbindung Atemluft ein. Die künstliche Beatmung wird durch mehrere Parameter gekennzeichnet, u.a.
— einen geforderten zeitlichen Verlauf des Drucks, den das Beatmungsgerät 1 bei den Beatmungshüben erzeugt, — einen geforderten zeitlichen Verlauf des Volumens der Atemluft, die bei den Beatmungshüben in die Fluidverbindung eingespeist wird, — eine Frequenz der Beatmungshübe oder auch — die Amplitude, also den maximalen Druckunterschied bei den Beatmungshüben.
Ein Mensch nimmt bei der spontanen Atmung oder bei der künstlichen Beatmung, die mit einer Frequenz fist durchgeführt wird, Luft auf. Das Volumen, das mit einem Atemzug aufgenommen wird, wird als (tatsächliches) Atemzugvolumen oder Tidalvolumen Volriaist bezeichnet. Der alveoläre Lungenraum steht für den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen der Atemluft und dem Blut zur Verfügung. Das Volumen von Gas, das tatsächlich den alveolären Lungenraum durchströmt, wird im Folgenden als erzieltes alveoläres Lungenvolumen bezeichnet. Der Vorgang, dass Gas den alveolären Lungenraum durchströmt, wird oft als „alveoläre Ventilation“ bezeichnet. Im oberen und mittleren Atemweg des Patienten P, in einem Bereich der Lunge, in dem kein Gas mit dem Blut ausgetauscht wird, sowie — bei einer künstlichen Beatmung - in denjenigen Bereich der Fluidverbindung, der in beiden Richtungen durchströmt wird, tritt ein Totraum mit dem gesamte Volumen Vo auf, wobei dieser Totraum zwar in beiden Richtungen von Gas durchströmt wird, aber nicht 20201001LU 02.09.2020
- 16/45 - für den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zur Verfügung steht.
Als HU102031 tatsachliches alveoläres Minutenvolumen V'aist wird das erzielte alveoläre Lungenvolumen pro Zeiteinheit, im Ausführungsbeispiel in [l/min], bezeichnet.
Dann gilt (1) Vaist= fist * (Volria,ist - Vb). Das tatsächliche alveoläre Minutenvolumen V'aist korreliert mit dem Volumenfluss Vol‘, der an einem Messpunkt gemessen wird, beispielsweise mittels des Messwertaufnehmers 2.1. In der Fluidverbindung zwischen dem Beatmungsgerät 1 und der Lunge des Patienten P tritt ein Totraum (deadspace) auf, in dem kein Gasaustausch stattfindet.
Nur derjenige geräteseitige Totraum ist zu berücksichtigen, der sich zwischen dem Messpunkt 2.1 und dem Patienten P befindet und in beiden Richtungen von Gas durchstrômt wird.
In vielen Fällen hat dieser geräteseitige Totraum ein vernachlässigbar kleines Volumen Vo,Ger, sodass als gesamtes Volumen Vo nur das Volumen Vo pat des patientenseitigen Totraums verwendet wird Im Ausführungsbeispiel wird ein angestrebtes alveoläres Minutenvolumen vorgegeben, das ist das Volumen von Atemluft pro Zeiteinheit, welches den alveolären Lungenraum durchspült und daher für den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid mit dem Blut des Patienten P zur Verfügung steht.
Dieses Minutenvolumen wird beispielsweise in Litern pro Minute angegeben und mit V'areq bezeichnet.
Dieses angestrebte alveoläre Minutenvolumen V'Areq wird vorgegeben, beispielsweise von einem Benutzer mit Hilfe der Anzeige- und Bedieneinheit 12 am Beatmungsgerat 1 eingestellt oder automatisch oder von einem Benutzer hergeleitet, beispielsweise abhängig von einem geforderten zeitlichen Verlauf des CO2-Gehalts in der ausgeatmeten Atemluft.
Ein solcher zeitlicher Verlauf wird auch als Kapnogramm oder Kapnographiekurve bezeichnet und lasst sich mithilfe eines CO2-Sensors messen.
Anstelle eines angestrebten alveolären Minutenvolumens V’a req lässt sich auch ein angestrebtes proximales Minutenvolumen vorgeben.
Das tatsächliche proximale Minutenvolumen V'p ist ist der Volumenfluss am Mund des Patienten P, insbesondere der Volumenfluss an einen Tubuskonnektor. 20201001LU 02.09.2020
- 17 / 45 - Der Volumenfluss teilt sich auf den alveolären Luftstrom und den Fluss durch den LU102081 Totraum auf. Das Volumen Vo,Ger des gerateseitigen Totraums ist bei einem Messpunkt am Patienten P vernachlässigbar klein. Das tatsächliche proximale Minutenvolumen V'Eiss hängt wie folgt mit dem tatsächlichen alveolären Minutenvolumen V'AistZusammen: (2) VPist= V'Aist+ VD fist = V'A,ist + (VD,Pat + VD,Ger) * fist Hierbei sind Vb das gesamte Volumen des Totraums, das im Ausführungsbeispiel gleich der Summe aus dem Volumen Vp pat des patientenseitigen Totraums und dem Volumen Vo,cer des geräteseitigen Totraums ist, und fist die tatsächliche Beatmungsfrequenz des Beatmungsgeräts 1. Häufig lässt sich das geräteseitige Volumen Vo,Ger vernachlässigen, ansonsten ist es aufgrund der Konstruktion bekannt.
Beispielsweise wird das angestrebte alveoläre Minutenvolumen V’areq oder angestrebte proximale Minutenvolumen V'p req SO vorgegeben, dass angestrebte Werte für die Konzentration oder den Partialdruck von bestimmten Gasen im Blut des Patienten P möglichst gut erreicht werden. Das Minutenvolumen V’a req, V'Preq lässt sich von einem Anwender oder von einem übergeordneten Automatisierungssystem vorgeben oder ist fest in einem Datenspeicher des Beatmungsgeräts 1 abgespeichert.
Erfindungsgemäß berechnet die Signalverarbeitungseinheit 10 automatisch eine Soll-Beatmungsfrequenz fset des Beatmungsgeräts 1, und zwar in Abhängigkeit von einem angestrebten alveolären Minutenvolumen V'a req. Bevorzugt empfängt die Signalverarbeitungseinheit 10 Messwerte von den Sensoren 2, 3, 5.1.1, ...,
5.2.2, 7 und führt abhängig von den empfangenen Messwerten die erforderlichen Berechnungsschritte durch.
Die berechnete Soll-Beatmungsfrequenz fset wird im Ausführungsbeispiel in einer untergeordneten Regelung für den Druck verwendet. Der tatsächlich erzielte Druck ist die Regelgröße und wird gemessen, bevorzugt als der erzielte Atemwegsdruck Paw. Vorgegeben wird als Führungsgröße ein gewünschter zeitlicher Verlauf Pset des Drucks. Die berechnete Soll-Beatmungsfrequenz fset legt die Frequenz der Druckanstiege und somit der Beatmungshübe in diesem gewünschten zeitlichen Verlauf von Pset fest. 20201001LU 02.09.2020
- 18/45 - Ein nicht gezeigtes Steuergerät bewirkt, dass ein Stellglied des Beatmungsgeräts 10106091 1 angesteuert wird, wobei dieses Stellglied die Beatmungshübe erzeugt. In der Regel ist die tatsächlich erzielte Beatmungsfrequenz fist gleich der automatisch berechneten Soll-Beatmungsfrequenz fset. Zur Verdeutlichung werden im Folgenden trotzdem unterschiedliche Bezeichnungen verwendet. Bei einer mandatorischen Beatmung ist eine Sollfrequenz vorgegeben, während bei einer unterstützenden Beatmung die Frequenz von der spontanen Atmung des Patienten P abhängen kann. Im Folgenden wird zunächst beschrieben, wie die Soll-Beatmungsfrequenz für eine mandatorische Beatmung berechnet wird. Diese wird im Folgenden mit fsetmand bezeichnet. Der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid mit der Lunge Lu des Patienten P während der Atmung und Beatmung findet nur in dem alveolären Lungenraum statt. Zu der Fluidverbindung zwischen dem patientenseitigen Anschluss des Beatmungsgeräts 1 und der Lunge Lu gehören aber zusätzlich der obere und mittlere Atemweg des Patienten P, insbesondere dessen Luftröhre, sowie ein optionaler Tubus, Schläuche und / oder sonstige Fluidführungseinheiten, die den Patienten P mit dem Beatmungsgerät 1 verbinden, sowie optional Messkammern. Diese werden bei jedem Beatmungshub mit Atemluft durchströmt, tragen aber nicht zum Austausch von Sauerstoff oder Kohlendioxid bei und werden daher als Totraum (deadspace) bezeichnet. Dieser Totraum setzt sich aus einem patientenseitigen Totraum und einen geräteseitigen Totraum zusammen. Das gesamte Totraum-Volumen Vo ist die Summe aus dem Volumen VDPat des patientenseitigen Totraums und dem Volumen Vo,cer des geräteseitigen Totraums.
Aus diesem Totraum-Volumen Vp resultiert eine Randbedingung für die Berechnung der mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand. Die Beatmungsfrequenz fist muss nämlich so niedrig sein, dass genügend Atemluft das alveoläre Lungenvolumen Va erreicht.
Bei einem Beatmungshub speist das Beatmungsgerät 1 in die Fluidverbindung Atemluft ein. Bei einem Atemzug nimmt der Patient P die Atemluft auf. Das Volumen der eingespeisten oder der aufgenommenen Atemluft wird als Tidalvolumen Voltiaist bezeichnet. Idealerweise wird die Lunge Lu bei jedem 20201001LU 02.09.2020
- 19/45 - Beatmungshub um dieses Tidalvolumen Voltiais vergrößert.
In einer Ce Ausgestaltung wird gefordert, dass das Tidalvolumen Voltistmindestens doppelt so groß wie das Totraum-Volumen Vo sein soll.
Hieraus und aus dem Zusammenhang (1) resultiert die Randbedingung (3) fsetmana <= V'A,req / Vo.
In einer Ausgestaltung des Schritts, das patientenseitige Totraum-Volumen Vo pat ZU ermitteln, wird automatisch detektiert, wann der Patient P ausatmet.
Beim Ausatmen strömt Luft aus dem oberen und mittleren Atemweg des Patienten P aus dem Körper und außerdem Luft aus der Lunge Lu in den oberen und mittleren Atemweg und dann nach draußen.
Ein Volumenfluss- Sensor, beispielsweise der Sensor 2 oder der Sensor 15, misst zu mehreren Abtast-Zeitpunkten den jeweiligen Volumenfluss Vol‘ an einer Stelle in der | Fluidverbindung.
Dieser gemessene Volumenfluss Vol‘ korreliert mit dem Volumenfluss, der in den Körper des Patienten P hinein und aus diesem heraus strömt.
Mithilfe eines CO2-Sensors wird der Anteil an CO2 in der Fluidverbindung gemessen.
Nur der alveoläre Lungenraum, nicht aber der obere und mittlere Atemweg, kann CO2 in die Luft einspeisen.
Sobald dieser Anteil oberhalb einer vorgegebenen Schranke ist, enthält die Fluidverbindung Luft aus der Lunge Lu.
Im Zeitraum zwischen dem Beginn eines Ausatmungsvorgangs und dem Zeitpunkt, an dem ein relevanter CO2-Anteil in der ausgeatmeten Luft enthalten ist, fließt Luft aus dem oberen mittlere Atemweg aus dem Patienten P.
Die Werte für den Volumenfluss, die in dem Zeitraum bis zur Detektion von CO2 gemessen werden, liefern nach einer Aufintegration ein Maß für das Volumen Vp Pat des Totraums im oberen und mittleren Atemweg des Patienten P.
Das patientenseitige Totraum-Volumen Vp,pat lässt sich beispielsweise mithilfe der Bohr-Formel ermitteln.
Das Volumen Vb cer des gerateseitigen Totraums in der Fluidverbindung außerhalb des Körpers des Patienten P ist durch die Konstruktion des Beatmungsgeräts 1 und der Schläuche ausreichend genau bekannt.
Falls der Volumenfluss nahe dem Mund des Patienten P gemessen wird, kann das Volumen Vp cer des geräteseitigen Totraums vernachlässigt werden. 20201001LU 02.09.2020 mm ———
-20/45- In einer anderen Ausgestaltung wird kein CO2-Sensor benötigt. Vielmehr wird LU102031 ein Idealgewicht Gewia des Patienten P ermittelt, und das Volumen Vp pat des patientenseitigen Totraums im oberen und mittleren Atemweg des Patienten P wird gemäß der Formel (4) Vo,pat= Y * Gewid geschätzt. Eine weitere Randbedingung resultiert aus der Anforderung, dass die tatsächliche Beatmungsfrequenz fist klein genug sein muss, um auch eine wenig elastische Lunge Lu, also eine Lunge mit einer Lungenzeitkonstante 1, noch ausreichend zu dehnen. Anders gesagt: Bei einer zu hohen Beatmungsfrequenz fist reicht der Druck der Beatmung nicht aus, um die Lunge Lu ausreichend zu dehnen. Die Lunge Lu kann dann nicht genug Sauerstoff aufnehmen und genug CO2 abgeben. Diese Randbedingung hängt von der Lunge Lu des Patienten P ab.
Um diese Randbedingung zu erfüllen, wird am Patienten P eine sogenannte Lungenzeitkonstante T gemessen. Vereinfachend kann man die Lunge als ein lineares pneumatisches System ansehen, wobei ein an der Lunge anliegender Druck pneumatischen Widerstand überwindet und eine Dehnung der Lunge bewirkt. Unter dieser vereinfachenden Annahme gilt bei der Einatmung: (5) T i Vol, , (t) = Vol u,max * [1 -e RC ] Hierbei sind R der Lungenwiderstand (resistance) und C die Compliance. Volu(t) ist das Volumen der Lunge zum Zeitpunkt t, VolLu,max das maximale Lungenvolumen. Vereinfacht gesagt gilt für den Lungenwiderstand R (6) R=AP/ Vol, wobei AP die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Druck im Verlaufe eines Beatmungshubs ist und Vol‘ die Volumenänderung der Lunge Lu aufgrund dieses Differenzdrucks. Die Compliance C ist der Kehrwert der Elastizitat (elastance), wobei gilt 20201001LU 02.09.2020
-21/45- (7) C=Vol/AP. LU102031 Die Lungenzeitkonstante T ist das Produkt aus Lungenwiderstand R und Compliance C, also (8) T=R*C.
Die Lungenzeitkonstante 1 ist ein Parameter, der die Antwort der Lunge als passives pneumatisches System auf eine Sprunganregung beschreibt. Bei spontaner Atmung resultiert die Sprunganregung aus einer schlagartigen Erhöhung oder auch Reduzierung des vom Zwerchfell Zw erzeugten Drucks Pmus, bei einer künstlichen Beatmung aus einer schlagartigen Erhöhung oder Reduzierung des Atemwegsdrucks Paw. Als Reaktion auf die Sprunganregung steigt bzw. fällt das Volumen exponentiell, vgl. die Modellgleichung (5) und die Festlegung (8). Wenn seit der Sprunganregung die Lungenzeitkonstante T verstrichen ist, so sind zwei Drittel, genauer 63 %, des gesamten inspiratorischen Tidalvolumens in die Lunge Lu verbracht. Die Lungenzeitkonstante 1 wird beispielsweise in [msec] oder in [sec] angegeben. Um die Lungenzeitkonstante 1 des Patienten P zu ermitteln, werden mindestens ein bereits erwähnter Volumenfluss-Sensor 2, 15 sowie mindestens einer der Drucksensoren 2, 3, 7 verwendet, die den Volumenfluss Vol‘ bzw. den Atemwegs-Druck Paw in der Fluidverbindung sowie optional den Speiserôhren- Druck Pes messen. Aus dem Volumenfluss Vol lässt sich der zeitliche Verlauf des Volumens der Lunge Lu herleiten. Ein typischer Wert für die Lungenzeitkonstante 1 eines COPD-Patienten (Patient mit Raucherlunge) beträgt 450 msec. Bei anderen Patienten ist die Lungenzeitkonstante T in der Regel deutlich kürzer.
Aus der Lungenzeitkonstante 1 wird die Randbedingung bevorzugt wie folgt abgeleitet: Ein Faktor x wird vorgegeben und hängt nicht von der Lunge Lu des Patienten P ab. Der Faktor x liegt bevorzugt zwischen 4 und 12 und beträgt beispielsweise 5,5 oder 8. Die resultierende Randbedingung ist (9) fset,mand <= 1 / (x* 7).
Aus den Randbedingungen (3) und (9) resultiert eine obere Schranke fset,mand,max für die mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand, Nämlich 20201001LU 02.09.2020
-22/45- (10) fset mand max = MIN { V'A,req / Vo, 1 / (x* T) }. LU102031 Möglich ist, einen ,Sicherheitsabschlag” zu verwenden, also (1 1) fset,mand,max = min { (1-AM)*V'A req / Vb, 1-A2/ (x* T) }. Hierbei gilt 0 < M, A2 < 1, bevorzugt M, A2 <= 0,2. Es muss gelten: fsetmand <= fset,mand,max- | Die Festlegung fset mand = fsetmand,max Würde in vielen Fallen zu einer unnötig hohen Beatmungsfrequenz fist führen, nämlich zu einer Beatmungsfrequenz, welche die Lunge Lu stärker als erforderlich belastet. Daher wird eine ideale mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset mana a berechnet, welche kleiner als die obere Schranke fsetmandmax Sein kann. Die mandatorische Sollfrequenz fsetmand wird gemäß der Vorschrift (1 2) fsetmand = Min { fset mand, id, fset mand max }- festgelegt. Wie die ideale mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand,id berechnet wird, wird im Folgenden beschrieben.
Ein Beatmungshub bewirkt einen Einatmungsvorgang. Bei mandatorischer Beatmung hat der Einatmungsvorgang Ti die gleiche Dauer wie der verursachende Beatmungshub. Ein erwartetes oder angestrebtes Verhältnis für die Dauer Ti der Einatmung (Inspiration) im Vergleich zur Dauer Te der Ausatmung (Exspiration) während eines einzelnen Beatmungsvorgang wird vorgegeben, also der I:E ratio. Typische Werte liegen zwischen 3:5 und 4:5. Möglich ist, dass dieses Verhältnis von die Lungenzeitkonstante T des Patienten P abhängt. Hieraus resultiert ein vorgegebener Faktor D1, das ist der geforderte zeitliche Anteil der Inspiration an einem gesamten Atmungszyklus (Atmungsvorgang), also (13) D1=Ti/(Ti+ Te) Dieser Faktor D1 fungiert als der geforderte Einatmungsanteil. Möglich ist auch, als Einatmungsanteil direkt den Quotienten Ti / Te vorzugeben, also den I:E ratio. Möglich ist auch, eine geforderte durchschnittliche Dauer eines Einatmungsvorgangs oder eines Ausatmungsvorgangs vorzugeben. Aus dieser 20201001LU 02.09.2020
-23/45- Dauer des Einatmungsvorgangs bzw.
Ausatmungsvorgangs sowie aus der Sou-LV102031 Beatmungsfrequenz resultiert ein geforderter Einatmungsanteil D1. Die mandatorische Beatmung des Patienten P leistet eine mechanische Arbeit, die sich auf eine resistive (viskose) Arbeit Wr und eine elastische Arbeit We aufteilt.
Die resistive Arbeit Wr überwindet den Lungenwiderstand R.
Die elastische Arbeit Wc dehnt die Lunge Lu und wirkt gegen die Elastizitat und damit die Compliance C der Lunge Lu.
Sowohl die resistive Arbeit Wr als auch die elastische Arbeit Wc hängen von der Beatmungsfrequenz fist ab.
Wie bereits dargelegt, wird die Lunge Lu vereinfacht als ein lineares pneumatisches System modelliert.
Dieses System entspricht einem elektrischen RC-Glied, also einer Reihenschaltung eines elektrischen Widerstandes R und eines elektrischen Kondensators C.
Vereinfacht wird angenommen, dass bei einem Beatmungshub der jeweils neue Druck sofort anliegt.
Mit anderen Worten: Ein Beatmungshub wird als eine Sprunganregung am pneumatischen System behandelt.
Diese vereinfachenden Annahmen führen zu folgenden lungenmechanischen Gleichungen für die resistive Leistung W'r sowie für die elastische Leistung Wc: 1 Vai 09 fist ist oD mei f.
Va: 2 T we: — [ee 1-e Sf A z_ Te ( T ) ( RC ) — ( a + Vo) coth(=— ) 1-e "RC. 15 ‘ (19 . fist Vast 2 2c N f, Die beiden lungenmechanischen Gleichungen (14) und (15) bilden zusammen zwei Bestandteile eines Lungenmodells.
Sie beschreiben die resistive Leistung WR bzw. die elastische Leistung W‘c, welche das Beatmungsgerät 1 bei mandatorischer Beatmung während eines Inspirationsvorgangs an der Lunge Lu umsetzt.
Sie gelten mit ausreichender Genauigkeit für jeden in Betracht kommenden Wert für die Parameter C, R und fist.
Gemäß diesem Lungenmodell (14) und (15) ist die resistive Leistung Wr in jedem Fall größer als die elastische Leistung W'c, egal wie groß der Lungenwiderstand R und die 20201001LU 02.09.2020
- 24 / 45 - Lungen-Compliance C sind und egal welche Beatmungsfrequenz fist bei der 0102031 mandatorischen Beatmung verwendet wird. Figur 2 zeigt beispielhaft die resistive Leistung Wr, die elastische Leistung W'c sowie die gesamte Leistung, also die Summe W'R + Wc, in Abhängigkeit von der Beatmungsfrequenz fist. Auf der x-Achse ist die Beatmungsfrequenz fist in [1/min] aufgetragen, auf der y-Achse die Leistung in [Nm/sec]. Außerdem ist in Figur 2 die obere Schranke für die Beatmungsfrequenz fist eingetragen, welche aus der Randbedingung (9) mit dem Wert x = 8 resultiert. Figur 3 und Figur 4 zeigen beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Drucks P (oben) und den zeitlichen Verlauf der geleisteten Arbeit W (unten) während eines Beatmungshubs. Auf der x-Achse ist die Zeit t in Sekunden aufgetragen, auf der y-Achse der Druck P in [mbar] sowie der Volumenfluss Vol‘ in [/sec] (oben) bzw. die Arbeit W in [Nm] (unten). Die zeitlichen Verläufe wurden mithilfe der beiden lungenmechanischen Gleichungen (14) und (15) ermittelt. In diesem Beispiel beträgt C = 30 ml/mbar. Das erzielte alveoläre Minutenvolumen Va, ist beträgt V‘a,ist = 7,9 I/min. In Figur 3 beträgt R = 5 mbar/(I*sec), in Figur 4 ist R = mbar/(I*sec). Die Beatmungsfrequenz beträgt im Beispiel von Figur 3 fist = 15/min, im Beispiel von Figur 4 ist fist = 30/min.
In den zeitlichen Verläufen bezeichnen 20 — Pset den zeitlichen Druck des vom Beatmungsgerät 1 zu erzeugenden Drucks, wobei der zeitliche Verlauf Pset eine Führungsgröße für eine untergeordnete Regelung des tatsächlich erzielten Drucks ist, der bevorzugt als der erzielte Atemwegsdruck Paw gemessen wird, — Pung den resultierenden Druck in der Lunge Lu, — Vol‘ den Volumenfluss in der Fluidverbindung zu dem und von dem Patienten P, wobei ein positiver Wert einen Volumenfluss vom Beatmungsgerät 1 zum Patienten P und ein negativer Wert einen Volumenfluss vom Patienten P zum Beatmungsgerät 1 bezeichnet, — WR die bislang geleistete resistive Arbeit, — We die bislang geleistete elastische Arbeit, — WRins die am Ende eines Einatmungsvorgangs geleistete resistive Arbeit und 20201001LU 02.09.2020
-25/45- — We,ins die am Ende eines Einatmungsvorgangs geleistete elastische Arbeit.
HU102031 Im Beispiel von Figur 3 betragen WRins = 0,76 Nm und Wc ins = 0,76 Nm, im Beispiel von Figur 4 sind Wr,ins = 0,50 Nm und Wejns = 0,28 Nm.
In den beiden Beispielen, die in Figur 3 und Figur 4 gezeigt werden, steigt der Soll-Druck Pset bei einem Beatmungshub sofort auf den Maximalwert.
Figur 3 und Figur 4 zeigen daher die Antwort des pneumatischen Systems Lunge auf eine Sprunganregung durch das Beatmungsgerat 1. In der Realitat kann der durch die untergeordnete Regelung erzielte tatsächliche Druck Paw nicht sofort auf den vollen Wert ansteigen.
Außerdem muss ausgeschlossen oder wenigstens die Gefahr reduziert werden, dass die Lunge Lu des Patienten P durch einen zu raschen Druckanstieg geschädigt wird.
Daher wird der gewünschte zeitliche Verlauf Pset des Drucks so vorgegeben, dass er zu Beginn eines Beatmungshubs ansteigt, bis er den Maximalwert erreicht.
Diese Zeitspanne zwischen Beginn des Beatmungshubs und Erreichen des
Maximalwerts für Paw wird als tatsächliche Rampenzeit tr ist bezeichnet.
Der gewünschte zeitliche Verlauf Pset des Drucks umfasst eine vorgegebene Soll- Rampenzeit tr set und nachfolgend einen maximalen Solldruck.
Indem eine Soll- Rampenzeit tr set vorgegeben wird, wird die resistive Arbeit Wr verglichen mit einem sprungartigen Anstieg des Solldrucks Pset reduziert, während die elastische Arbeit Wc unverändert bleibt.
Ein Grund hierfür: Die maximalen Volumenstréme werden reduziert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Soll-Rampenzeit tr set abhängig von der ermittelten Lungenzeitkonstante 7 des Patienten P festgelegt, beispielsweise gemäß der Rechenvorschrift
(16) trset=Y'T Hierbei ist der Faktor y vorgegeben und abgespeichert und betragt beispielsweise y = 0,5. Figur 5 zeigt die zeitlichen Verlaufe, die auch in Figur 3 und Figur 4 gezeigt werden, wobei im Beispiel von Figur 5 ein geregelter Druckanstieg durchgeführt wird.
Im Beispiel von Figur 5 betragen die Lungen-Compliance C = 30 ml/mbar, der Lungenwiderstand R = 5 mbar/(l*sec), die Beatmungsfrequenz fist = 15/min 20201001LU 02.09.2020
-26/45 - und die Rampenzeit trist = 0,25 sec.
Ein Minutenvolumen von Vast = 7,9 l/min LU102031 wird erzielt.
Verglichen mit einer Beatmung ohne eine Rampenzeit (Sprungantwort, d.h. tRist = 0) ist die resistive Arbeit Wr dann, wenn die Rampenzeit tRist berücksichtigt wird, geringer.
Die elastische Arbeit Wc bleibt unverändert.
Die am Ende eines Einatmungsvorgangs geleistete resistive Arbeit betragt WRins = 0,47 Nm, die am Ende eines Einatmungsvorgangs geleistete elastische Arbeit beträgt Wc,ins = 0,76 Nm.
Die am Ende eines Ausatmungsvorgangs geleistete resistive Arbeit beträgt Wr exp = 0,76 Nm, die am Ende eines Ausatmungsvorgangs geleistete elastische Arbeit beträgt Wc exp = -0,76 Nm.
Sowohl die resistive Leistung W'r als auch die elastische Leistung W'c hängen von der tatsächlichen Beatmungsfrequenz fist ab.
Die resistive Leistung W'r ist stets größer als die elastische Leistung Wc.
Die ideale mandatorische Sollfrequenz fsetmand,id Wird abhängig von der Auswirkung der Beatmungsfrequenz fist auf die resistive Leistung W'r und auf die elastische Leistung W'c festgelegt.
Die Beatmungshübe bewirken bei mandatorischer Beatmung jeweils einen Einatmungsvorgang des Patienten P.
Hieraus folgt: (17) T; *T — - fist 1 =——— =D1 T,+T, | Für die folgende Herleitung wird angenommen, dass die tatsächliche Frequenz | 20 fist der mandatorischen Beatmung gleich der gesuchten idealen mandatorischen Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand,id ist, dass also gilt: (18) fist = fsetmand,id.
Der Zusammenhang (17) zeigt, wie unter der Annahme (18) die gesuchte ideale Beatmungsfrequenz fset,mand,ia, die Dauer Ti eines Beatmungshubs und der zeitliche Einatmungsanteil D1 miteinander zusammenhängen.
Eine bestimmte Beatmungsfrequenz fist und eine bestimmte Dauer Ti der Beatmungshübe führen gemäß den lungenmechanischen Modeligleichungen 20201001LU 02.09.2020
-27/45- (14) und (15) zu einer bestimmten resistiven Leistung W‘R und zu einer 0102031 bestimmten elastischen Leistung Wc. In einer Ausgestaltung wird die gesuchte ideale mandatorische Soll- Beatmungsfrequenz fset,mand,id SO berechnet, dass eine Funktion, die von den beiden Leistungen W'r und W'c abhängt, minimiert wird. Diese Funktion ist beispielsweise die Summe der beiden Leistungen, also Wr + Wc, oder der Quotient W'r / Wc aus den beiden Leistungen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels wird die ideale mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand,ia hingegen so berechnet, dass die elastische Leistung Wc etwa gleich der resistiven Leistung W'R ist. In vielen Fällen führt diese Vorgabe zu einer vergleichsweise geringen mechanischen Belastung der Lunge Lu des Patienten P. Genauer gesagt: Ein Faktor a wird vorgegeben, wobei a bevorzugt zwischen 0 und 0,2 liegt und besonders bevorzugt gleich 0,1 ist. Als Leistungsfaktor fungiert dann 1+a. Die Randbedingung bei der Festlegung der idealen mandatorischen Soll- Beatmungsfrequenz fset,mand,id ist (19) x
W R W Cc Aus den Gleichungen (15) und (19) folgt + (20) We T, — = Coth{-— We 2RC Löst man unter dieser Annahme die Gleichungen (20) und (17) jeweils nach Ti auf, so resultiert folgende Berechnungsvorschrift für die ideale mandatorische 20 — Soli-Beatmungsfrequenz fset,mand,id: (21) D1 fset,mand,id = * 2*RC*arccoth (1+a) 20201001LU 02.09.2020
-28/45- Hierbei gilt LU 102057 (22) 1 2+a arccoth (1+a) = == In mm 2 a Außerdem sind die oben dargestellten Randbedingungen (3) und (9) zu beachten, also die obere Schranke fset,mand,max.
Die mandatorische Soll- Beatmungsfrequenz fsetmand wird gemäß der Rechenvorschrift (17) für die ideale | 5 mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand,id festgelegt, es sei denn, eine obere Schranke fset manda max führt zu einem niedrigeren Wert, vgl. die Festlegungsvorschrift (12). Hieraus resultiert folgende Berechnungsvorschrift fur die mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset mand: 23 ‘ (23) D1 Viareq 1 f = min { TTT A ml } set,mand 2*RC*arccoth (1+a) Vp x*t Die Lungenzeitkonstante 7 wird am Patienten P gemessen.
Bevorzugt wertet die Signalverarbeitungseinheit 10 hierfur Messwerte von den Sensoren 3 und aus und ermittelt dadurch den Atemwegsdruck Paw und den Volumenfluss Vol‘. Aus diesen Signalen wertet die Signalverarbeitungseinheit 10 eine Schätzung fur das Produkt R*C her und verwendet dieses als die Lungenzeitkonstante 1 des Patienten P.
Vereinfachend lässt sich bei der 15 Ermittlung der Lungenzeitkonstante T ein idealer Sprunganstieg des Drucks annehmen, und die Lungenzeitkonstante lässt sich dann allein aus dem gemessenen Volumenfluss Vol‘ herleiten.
Das Vorgehen, die mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand gemäß der Rechenvorschrift (23) festzulegen, führt zu einer einfachen und robusten Vorgabe eines Sollwerts fset,mand für die Beatmungsfrequenz fist unter mandatorischer Beatmung.
In vielen Fällen wird eine geringere Soll- Beatmungsfrequenz fset,mand berechnet als bei anderen Verfahren, sodass das erfindungsgemäße Vorgehen zu einer geringeren Belastung der künstlich beatmeten Lunge Lu führt, insbesondere bei einem Patienten P mit einer relativ kleinen Lungenzeitkonstante T. 20201001LU 02.09.2020
- 29 / 45 - Ein Vorteil der gerade beschriebenen Ausgestaltung ist, dass es nicht LU102031 erforderlich ist, den Lungenwiderstand R und die Lungen-Compliance C getrennt voneinander zu messen. Dies ist insbesondere dann, wenn der Patient P spontan atmet, mit relativ großer Unsicherheit behaftet. Ausreichend ist, die Lungenzeitkonstante 1, also das Produkt R*C, zu messen. Ein ausreichend zuverlässige Wert wird in der Regel nach wenigen spontanen Atemzügen des Patienten P oder Beatmungshüben des Beatmungsgerats 1 erhalten. Im Gegensatz zu anderen Verfahren, welche automatisch eine Beatmungsfrequenz festlegen, erfordert die gerade beschriebene Ausgestaltung nicht, dass zur Laufzeit eine Optimierung durchgeführt wird. Insbesondere ist nicht erforderlich, zur Laufzeit die gesuchte Beatmungsfrequenz so zu bestimmen, dass eine von der Beatmungsfrequenz abhängige Funktion, die zu einem lungenmechanischen Modell gehört, minimiert wird. Bei anderen Verfahren beschreibt diese Funktion beispielsweise die Arbeit während eines Beatmungshubs oder die Leistung, die während der Beatmungshübe aufgebracht wird. Falls zur Laufzeit eine Optimierung erforderlich ware, so wird eine relativ hohe Rechenkapazitat und / oder eine relativ lange Rechenzeit benötigt. In der Praxis wird eine Optimierung häufig mittels eines iterativen Verfahrens durchgeführt, welches beendet wird, wenn ein Abbruchkriterium erfüllt ist. In manchen Fällen kann der gefundene Wert relativ weit von einem Optimum entfernt sein.
Das gerade beschriebene Vorgehen erfordert auch nicht notwendigerweise, dass während der künstlichen Beatmung ein sogenanntes Manöver durchgeführt wird, bei welchem ein Parameter des Beatmungsgeräts 1, beispielsweise ein geforderter zeitlicher Verlauf des Drucks oder des Volumenflusses, für eine kurze Zeitspanne gezielt auf einen abweichenden Wert eingestellt wird, um einen Vitalparameter des Patienten P zu messen. Insbesondere ist keine Okklusion erforderlich, bei der die künstliche Beatmung für einen kurzen Zeitraum eingestellt wird und optional auch die spontane Atmung des Patienten P für diesen kurzen Zeitraum unterbunden wird, um den zeitlich veränderlichen Druck zu messen, der durch die spontane Atmung des Patienten P hervorgerufen wird. 20201001LU 02.09.2020
| | - 30/45- In vielen Fällen führt das gerade beschriebene Vorgehen dazu, dass die 17106081 mandatorische Beatmung mit einer Beatmungsfrequenz fist durchgeführt wird, die nicht hôher ist als erforderlich, um das angestrebte alveoläre Minutenvolumen V’a req ZU erzielen.
Dieses Vorgehen reduziert aus diesem Grund in vielen Fällen die mechanische Belastung der Lunge Lu des Patienten P und reduziert daher die Gefahr, dass die Lunge Lu des Patienten P mechanisch geschädigt wird.
Das angestrebte alveoläre Minutenvolumen V'a req wird der künstlichen Beatmung vorgegeben.
Vorgehensweisen, um dies zu tun, werden beispielsweise in J.
Fernandez, D.
Miguelena, H.
Mulett, J.
Godoy, and F.
Martinôn-Torres, "Adaptive support ventilation: State of the art review," Indian J.
Grit.
Gare Med., vol. 17, no. 1, p. 16, 2013, beschrieben.
Ebenfalls zu Beginn der künstlichen Beatmung wird das gesamte Totraum- Volumen Vo ermittelt, bevorzugt auf eine der beiden oben beschriebenen Methoden.
Bevorzugt wird während der gesamten künstlichen Beatmung das patientenseitige Totraum-Volumen Vp pat wiederholt gemessen, und dadurch wird insbesondere eine Veränderung des patientenseitigen Totraum-Volumens Vo,pat detektiert und berücksichtigt.
Die Faktoren a und x werden bevorzugt einmal fest vorgegeben und sind im Beatmungsgerät 1 abgespeichert.
Bei dieser Ausgestaltung wird zu Beginn der künstlichen Beatmung des Patienten P oder auch vorab eine Konstante const ermittelt und abgespeichert, und zwar im Ausführungsbeispiel gemäß der Rechenvorschrift (24) D1 1 const = min {— — J = } 2*arccoth (1+a) X Dies führt zu folgender Berechnungsvorschrift: (25) Viareq const f = min { Sa } set,mand Vp T In der bislang beschriebenen Ausgestaltung wird ein Wert für den Faktor a vorgegeben.
Möglich ist auch, n Werte 01, ..., an für den Faktor a vorzugeben.
Die gerade beschriebene Berechnung wird fiir jeden vorgegebenen Faktor a1, 20201001LU 02.09.2020
-31/45- A . ; LU102031 …, On durchgeführt. Dies liefert n Werte fset,mand(01), … fset,mand(An). Als mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand wird ein Wert verwendet, der durch eine geeignete Mittelung oder sonstige Aggregation aus diesen n Werten berechnet wird, beispielsweise der kleinste Wert.
Das oben beschriebene Vorgehen zeigt einen Weg auf, um eine Soll- Beatmungsfrequenz fset,mand für eine mandatorische künstliche Beatmung des Patienten P automatisch herzuleiten. Hierfür wird ein angestrebtes alveoläres Minutenvolumen Va req oder auch proximales Minutenvolumen vorgegeben. Diese Soll-Beatmungsfrequenz fsetmand wird dann für die oben beschriebene untergeordnete Regelung verwendet, wenn der Patient P vollständig sediert ist und daher nicht spontan atmet. Wie bereits erwähnt, wird dem Verfahren ein angestrebtes alveolares Minutenvolumen V'A req vorgegeben. Falls der Patient P vollständig sediert ist, so wird dieses Minutenvolumen V'a req ausschließlich durch die Beatmung erzeugt (mandatorische Beatmung). Diese mandatorische Beatmung wird mit der Soll-Beatmungsfrequenz fsetmand durchgeführt, die so wie gerade beschrieben festgelegt wird. Möglich ist aber auch, dass der Patient P spontan atmet und einen Anteil des angestrebten alveolären Minutenvolumens Va req selber aufbringt. Falls das _ alveoläre Minutenvolumen, welches der Patient P durch seine eigene spontane Atmung aufbringt, mit V’a spon bezeichnet wird, so gilt. (26) SML = V'A,spon / V'A,req Dieser Faktor SML wird ebenfalls ermittelt und verwendet. In einer Ausgestaltung wird ein Maß für den Unterdruck Pmus, der durch die Aktivität des Zwerchfells Zw und der Interkostalmuskulatur des Patienten P erzeugt wird, gemessen. Dann sind sowohl der Atemwegsdruck Paw, der von außen an der Lunge Lu anliegt, als auch der von innen auf die Lunge Lu einwirkende Unterdruck Pmus bekannt. Aus den beiden Signalen Paw und Pmus wird dasjenige alveoläre Minutenvolumen V'a spon hergeleitet, welches ausschließlich durch die spontane Atmung des Patienten P erzielt wird. Denn das Signal Paw wird durch eine Überlagerung der spontanen Atmung und der 20201001LU 02.09.2020
-32/45- künstlichen Beatmung bewirkt, das Signal Prus ausschließlich von der HU102031 spontanen Atmung.
In einer Realisierung, um ein MaR für den Unterdruck Pmus zu messen, wird der Speiserôhren-Druck Pes gemessen.
Diese andere Ausgestaltung setzt voraus, dass die Sonde 3 in die Speiseröhre Sp des Patienten P eingesetzt ist und ein Maß für den Speiserôhren-Druck Pes misst.
In einer anderen Ausgestaltung werden Signale von den Elektroden 5.1.1 bis 5.1.2 verwendet, um die elektrische Aktivität der Muskeln des Atmungsapparats des Patienten P zu messen.
Diese elektrische Aktivität bewirkt die spontane Atmung des Patienten P und hängt nicht von der künstlichen Beatmung ab.
In einer anderen Ausgestaltung wird die Tatsache ausgenutzt, dass dann, wenn die spontane Atmung des Patienten P durch das Bearbeitungsgerät 1 unterstützt wird, spontane Atemzüge des Patienten P detektiert werden und jeder detektierte ausreichend große spontane Atemzug einen Beatmungshub des Bearbeitungsgeräts 1 auslöst.
Je stärker seine spontane Atmung ist, desto mehr Beatmungshübe des Beatmungsgeräts 1 löst der Patient P aus.
Diese andere Ausgestaltung erfordert nicht notwendigerweise, das alveoläre Minutenvolumen V’a spon ZU ermitteln.
Figur 6 und Figur 7 veranschaulichen zwei Ausführungsformen, wie das Maß für die Intensität der spontanen Atmung des Patienten P ermittelt wird.
Zu Beginn des jeweils berücksichtigten Zeitraums atmet der Patient P nicht spontan, und das Bearbeitungsgerät 1 führt auch keinen Beatmungshub durch, sodass am Anfang des Zeitraums die beiden Drücke Paw und Pes annähernd übereinstimmen.
Anschließend differieren diese beiden Drücke voneinander aufgrund einer spontanen Atmung und / oder künstlichen Beatmung.
In der Ausführungsform gemäß Figur 6 wird die Arbeit (work of breathing, WOB) verwendet, die während eines Atemzugs zum Einatmen aufgewendet wird.
Auf der x-Achse ist der Druck P in [mbar] aufgetragen, auf der y-Achse das in die Lunge und aus der Lunge fließende Volumen Vol in [I]. Als Maß für den vom Zwerchfell Zw des Patienten P erzeugten Druck wird der Speiseröhren-Druck Pes verwendet, der mithilfe der Sonde 3 gemessen wird. 20201001LU 02.09.2020
-33/45- Die in Figur 6 gezeigten Kurven sind durch eine Uberlagerung einer Vielzahl (0108081 von Atemzügen gewonnen, im Ausführungsbeispiel indem der jeweilige Median gebildet wird, alternativ der Mittelwert. Die gezeigten Parameter werden jeweils als eine normalverteilte Zufalisvariable aufgefasst. Dargestellt wird als Messunsicherheit die Standardabweichung, also ein Toleranzband um den Median.
In Figur 6 bezeichnen: — PVes den Druck-Volumen-Verlauf, den das Zwerchfell Zw aufbringt, also das erzielte Volumen als Funktion des Drucks Pmus, — PVaw den Druck-Volumen-Verlauf, den Beatmungsgerät 1 aufbringt, gemessen mit dem Sensor 2 am Mund des Patienten P und optional dem Sensor 15 am Beatmungsgerät 1, — TL eine Trennlinie, die durch den Schnittpunkt von PVes und PVaw verläuft, — WOBpPat die vom Patienten P bei einem Einatemzug durch seine spontane Atmung aufgebrachte Arbeit, wobei die Arbeit gleich der Fläche zwischen dem Druck-Volumen-Verlauf PVes und der Trennlinie TL ist, — WOBvent die vom Beatmungsgerät 1 bei einem Einatemzug durch die künstliche Beatmung aufgebrachte Arbeit, wobei die Arbeit gleich der Fläche zwischen dem Druck-Volumen-Verlauf PVaw und der Trennlinie TL ist, und - std die Standardabweichung um den Median.
In einer Ausgestaltung wird als Maß für den Druck Pmus, den das Zwerchfell Zw aufbringt, der Speiseröhren-Druck Pes gemessen, und zwar mithilfe der Sonde 3 in der Speiseröhre Sp des Patienten P. In einer anderen Ausgestaltung werden die zeitlichen Verläufe des Drucks Paw und des Volumenflusses Vol‘ am Mund des Patienten P gemessen, bevorzugt mithilfe des Sensors 2 und optional des Sensors 15, und aus diesen zeitlichen Verläufen wird mithilfe eines Lungenmodells ein Maß für den Druck Pmus abgeleitet. Bevorzugt wird über mehrere Einatemzüge gemittelt Die gesamte bei einem Einatemzug aufgebrachte Arbeit WOB ist die Summe aus WOBPat und WOBvent. Als Maß für den Anteil der spontanen Atmung des Patienten P wird der Anteil der vom Patienten P aufgebrachten Arbeit der gesamten Arbeit WOB berechnet und verwendet, also 20201001LU 02.09.2020
/ -34/45- LU102031 (27) SML = WOBPat / (WOBpat + WOBVvent). Im Beispiel von Figur 6 beträgt der Faktor SML im Beispiel links etwa 41 %, im Beispiel rechts nur 13 %. Bei der gerade beschriebenen Ausführungsform wird bevorzugt eine gemittelte Arbeit berechnet. Bei diesem Ansatz wird relativ gut die Atmungsaktivitat des Patienten P quantitativ erfasst. In der Ausgestaltung gemäß Figur 7 wird der gemittelte Druck P während eines Einatemzugs verwendet. PTP bedeutet ,pressure-time product“, Auf der x- Achse ist die Zeit t in [sec] aufgetragen, auf der y-Achse der Druck in [mbar] für die beiden Drücke Paw und Pes. Die Trennlinie TL verläuft durch den Schnittpunkt der Verläufe von Paw und Pes. Die Fläche PTPpat zwischen dem zeitlichen Verlauf des Drucks Pes und der Trennlinie TL ist ein Maß für den vom Patienten P aufgebrachten mittleren Druck Pmus und korreliert mit der mechanischen Leistung der spontanen Atmung. Die Fläche PTPvent zwischen dem zeitlichen Verlauf des Drucks Paw und der Trennlinie TL ist ein Maß für den vom Beatmungsgerät 1 aufgebrachten mittleren Druck Paw und korreliert mit der mechanischen Leistung der künstlichen Beatmung. Als Maß für den Anteil der spontanen Atmung des Patienten P wird folgender Quotient verwendet: (28) SML = PTPpat / (PTPpat + PTPvent). Indem in Figur 7 ist in oben gezeigtem Beispiel der Anteil der spontanen Atmung deutlich größer als in dem unten gezeigten Beispiel. Zu Anfang der künstlichen Beatmung wird das Beatmungsgerät 1 so betrieben, dass bei der künstlichen Beatmung ein angestrebter zeitlicher Verlauf des Atemwegsdrucks Paw oder auch des Volumenflusses Vol‘ erzielt wird. Ein angestrebter zeitlicher Verlauf wird vorgegeben, und eine untergeordnete Regelung wird mit dem Ziel durchgeführt, dass der tatsächliche zeitliche Verlauf gleich dem angestrebten zeitlichen Verlauf ist. Bei der künstlichen Beatmung führt das Beatmungsgerät 1 nacheinander Beatmungshübe aus. Ein Teil dieser Beatmungshübe wird durch die spontane Atmung des Patienten P ausgelöst, der Rest automatisch vom Beatmungsgerät 1, um den angestrebten zeitlichen Verlauf des Drucks oder Volumenflusses zu erzielen. 20201001LU 02.09.2020
| -35/45- | Der Faktor S ; na . LU102031 er Faktor SML wird z.B. gemäß einer der Rechenvorschriften (26), (27), (28) oder gemäß (29) SML = Nspon / Nges berechnet.
Hierbei bezeichnen nspon die Anzahl der Beatmungshübe, die innerhalb eines Zeitraums durch die spontane Atmung des Patienten P ausgelôst werden, und nges die Anzahl der insgesamt in diesem Zeitraum durchgeführten Beatmungshübe.
Außerdem wird eine ideale Frequenz fspon der spontanen Atmung des Patienten P berechnet.
Hierbei wird bevorzugt vereinfachend angenommen, dass die spontane Atmung des Patienten P einen sinusfôrmigen zeitlichen Verlauf hat.
Falls der Patient P das angestrebte alveoläre Minutenvolumen Va req ausschließlich durch seine eigene spontane Atmung aufnehmen kann, so atmet er gemäß dieser Vereinfachung mit der idealen Frequenz A,req Vo fspon = 2*n2*y Diese ideale Frequenz fspon erfordert die geringste Leistung W'r + Wc, um durch spontane Atmung das angestrebte alveoläre Minutenvolumen V'a req ZU erzielen.
Anders gesagt: Jede andere Frequenz der spontanen Atmung erfordert eine höhere Leistung.
In dieser Berechnung wird das gesamte Totraum-Volumen Vo berücksichtigt, also zusätzlich zum patientenseitigen Totraum-Volumen Vp pat auch das gerateseitige Totraum-Volumen Vb Ger.
Eine ähnliche Berechnungsvorschrift ist bereits in J.
Mead, "Control of respiratory frequency," J.
Appl.
Physiol., vol. 15, no. 3, pp. 325- 336, 1960 angegeben.
Andere Berechnungsvorschriften sind ebenfalls möglich.
Beispielsweise wird eine ideale Frequenz der spontanen Atmung ermittelt, welche bei gegebenem 20201001LU 02.09.2020
-36/45- “ ; ; ; LL . LU102031 angestrebten alveolären Minutenvolumen V'a req Zu einer minimalen Amplitude des zeitlich veränderlichen erzeugten Drucks führt.
Die Soll-Beatmungsfrequenz fset des Beatmungsgeräts 1 wird wie folgt festgelegt: (31) fset= SML*fspon + (1-SML)*fset,mand Hierbei sind fspon die ideale Frequenz der spontanen Atmung, die beispielsweise gemäß der Rechenvorschrift (30) berechnet wird, fsetmand die erfindungsgemäß festgelegte Soll-Beatmungsfrequenz für die mandatorische Beatmung und SML der Faktor, der beispielsweise gemäß der Berechnungsvorschrift (29) oder unter Verwendung des Speiseröhren-Drucks Pes gemäß der Rechenvorschrift (26) oder gemäß (27) oder (28) festgelegt wird. Die Ausgestaltung gemäß der Festlegungsvorschrift (31) vermeidet einen abrupten Übergang zwischen einer unterstützenden und einer mandatorischen Beatmung, wenn die spontane Atmung des Patienten sich ändert. Vielmehr wird ein allmählicher Übergang erreicht, wobei die mandatorische Beatmung umso schwächer wird, je stärker die spontane Atmung des Patienten P ist. In einer Abweichung wird sichergestellt, dass die Soll-Beatmungsfrequenz fset mindestens so groß wie die ideale Frequenz fspon der spontanen Atmung ist. Die abweichende Rechenvorschrift lautet (32) Viareq const Viareq const f = min { — ‚— } falls — > fon und — ; set,mand Vp T Vp T fet, mand = fspon @NSONStEN Diese abweichende Rechenvorschrift stellt sicher, dass fset mand >= fspon und daher auch fset >= fspon gilt. Auch bei dieser abweichenden Rechenvorschrift wird die Soll-Beatmungsfrequenz fset gemäß der Rechenvorschrift (31) festgelegt. Ein Parameter, der sich am Beatmungsgerät 1 einstellen lässt, ist das Soll- Tidalvolumen Volrid set, also das Volumen, welches bei einem Atemzyklus in den Mund des Patienten P appliziert werden soll. Dieses stimmt im Wesentlichen 20201001LU 02.09.2020
-37/45- mit dem Volumen überein, welches bei einem Beatmungshub aus dem 1102081 Beatmungsgerät 1 ausgestoßen werden soll. Eine untergeordnete Regelung erhält das Soll-Tidalvolumen Voltia,set als Vorgabe und steuert das Beatmungsgerät 1 mit dem Regelungsziel an, dass das durch die Beatmungshübe tatsächlich erzielte Tidalvolumen Voltidist gleich dem berechneten Soll-Tidalvolumen Voltidset ist. Das tatsächlich erzielte Tidalvolumen TidvoList wird während eines Einatmungsvorgangs in die Fluidverbindung ausgestoRen und teilt sich auf das erzielte alveoläre Lungenvolumen Va ist sowie auf den Totraum in Schläuchen der Fluidverbindung sowie im oberen und mittleren Atemweg des Patienten P auf, wobei der gesamte Totraum das Volumen Vo aufweist. Das tatsächliche Tidalvolumen Tidvoiist soll das geforderte alveoläre Minutenvolumen Va req erzeugen und hängt von der tatsächlichen Beatmungsfrequenz fist und dem Totraum-Volumen Vp ab.
Die Einatmungszeit Ti und somit die Dauer eines Beatmungshubs hängen gemäß dem Zusammenhang (17) von der tatsächlichen Beatmungsfrequenz fist und dem Verhältnis D1 wie folgt ab: (33) D1 T= — fist Möglich ist, das Soll-Tidalvolumen Volria,set durch Umstellung des Zusammenhangs (1) wie folgt zu berechnen: ¢ (34) Via req ey VOlyig set = f D set In einer Ausgestaltung wird das Soll-Tidalvolumen Volrid set hingegen gemäß folgender Rechenvorschrift berechnet, welche zu einem größeren Soll- Tidalvolumen Voltia,set führt und von der Dauer Ti eines Einatmungsvorgangs und von der Lungenzeitkonstante T abhängt: 20201001LU 02.09.2020
- 38/45 - 35 ‘ ‘ LU102031 (35) Viareq Vv A,req Fret feet VOoliig cet = A — = T, T, 1 -e RC 1 -e T Figur 8 veranschaulicht die Festlegung der Soll-Beatmungsfrequenz fset.
In diesem Beispiel wurden folgende Parameter vorgeführt oder gemessen: — Das Idealgewicht Gewi des Patienten P beträgt 75 ka. — Der Faktor x betragt 5,5. — Das geforderte alveoläre Minutenvolumen Va req beträgt 5,1 l/min. — Das Volumen des Totraums beträgt 2,2 ml/kg. — Die Compliance C der Lunge beträgt 50 ml/mbar. — Die Resistance R der der Lunge beträgt 5 mbar*sec/l. — Somit beträgt die Lungenzeitkonstante 1 = R*C = 250 msec.
Auf der x-Achse ist die tatsächliche Beatmungsfrequenz f in [1/min] aufgetragen, auf der y-Achse die resultierende Leistung in [W]. Die ideale mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand,ia wird gemäß der Rechenvorschrift (21) hergeleitet, was zu einem Wert fset,mand,ia = 21 / min führt.
Dieser Wert liegt oberhalb der idealen Frequenz fspon für die spontane Atmung (fspon = 17 / min) und unterhalb der oberen Schranke fset,mand,max für die mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz, denn V’'areq / Vo = 28 / min und 1 / (x* T) = 43 / min.
Somit wird gemäß der Rechenvorschrift (32) die Festlegung fset mand = fsetmand,id = 21 / min getroffen.
In Figur 8 ist außerdem diejenige Beatmungsfrequenz fminw eingetragen, welche zu einer minimalen gesamten Leistung W'R+W'c führt.
Diese Beatmungsfrequenz fminw lässt sich durch eine Minimierung berechnen.
Wie bereits dargelegt, erspart das erfindungsgemäße Verfahren eine solche Minimierung.
Wie zu sehen ist, ist die Beatmungsfrequenz fminw für die minimale Leistung größer als die ideale mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand id. 20201001LU 02.09.2020 Ds
-39/45- Ein beispielhafter Ablauf, um automatisch Werte fiir verschiedene Parameter LU102031 bei der künstlichen Beatmung zu berechnen, wird im Folgenden dargelegt.
Dieser Ablauf umfasst die folgenden Schritte: — Die Faktoren a und x für die mandatorische Beatmung sowie der Faktor y für die Soll-Rampenzeit tr set und der Einatmungsanteil D1 werden vorgegeben, beispielsweise indem sie im Beatmungsgerat 1 abgespeichert werden — Ein angestrebtes alveolares Minutenvolumen V’a req oder proximales Minutenvolumen wird ermittelt und dem Vorgehen vorgegeben.
— Das gesamte Totraum-Volumen Vo = Vb pat + Vp cer wird ermittelt. Das Volumen Vp pat des patientenseitigen Totraums wird mithilfe eines CO2- Sensors näherungsweise gemessen, beispielsweise unter Anwendung der Bohr-Formel. Oder es wird mithilfe des Zusammenhangs (4) geschätzt. Das Volumen Vb cer des gerateseitigen Totraums ist durch die Konstruktion des Beatmungsgerät 1 und der Verbindung zum Patienten P ausreichend genau bekannt oder ist vernachlässigbar klein.
— Die künstliche Beatmung wird gestartet.
— Die Lungenzeitkonstante 1 des Patienten P wird gemessen, wofür bevorzugt der bereits erwähnte Volumenfluss-Sensor 2, 15 sowie mindestens einer der Drucksensoren 2, 3, 7 verwendet werden.
— Eine Soll-Rampenzeit tr,set für den Druckanstieg bei einem Beatmungshub wird berechnet, beispielsweise gemäß der Berechnungsvorschrift (16).
— Der Faktor SML, also der Anteil am angestrebten alveolären Minutenvolumen V'a req, den der Patient P durch seine spontane Atmung selber aufbringt, wird ermittelt, vgl. den Zusammenhang (26). Beispielsweise wird der Faktor SML gemäß dem Zusammenhang (29) oder mithilfe der Messsonde 3, die den Speiseröhren-Druck Pes misst, ermittelt.
— Eine ideale Frequenz fspon der spontanen Atmung des Patienten P wird berechnet, beispielsweise gemäß der Rechenvorschrift (30).
— Eine Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand für die mandatorische Beatmung wird berechnet, bevorzugt gemäß der Rechenvorschrift (23) oder (25).
— Eine Soll-Beatmungsfrequenz fset, welche die spontane Atmung des Patienten P berücksichtigt, wird berechnet, bevorzugt gemäß der Rechenvorschrift (31).
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- 40/45 - — Die Dauer Ti eines Einatmungsvorgangs und somit die Dauer Ti eines 10102081 Beatmungshubs werden berechnet, und zwar bevorzugt gemäß der Rechenvorschrift (33).
— Ein Soll-Tidalvolumen VolTia,set wird festgelegt, bevorzugt gemäß der Rechenvorschrift (35).
— Aus der erfindungsgemäß berechneten Soll-Beatmungsfrequenz fset,mand, den festgelegten Soll-Tidalvolumen VolTia,set, der hergeleiteten Soll- Rampenzeit tr set und dem vorgegebenen Einatmungsanteil D1 resultiert ein zeitlicher Verlauf des Solldrucks Pset, den das Beatmungsgerät 1 erzielen soll.
— Eine untergeordnete Regelung wird mit dem Regelungsziel durchgeführt, dass der tatsachliche Verlauf des erzielten Drucks, beispielsweise gemessen als Atemwegsdruck Paw, gleich dem Verlauf des Drucks Pset ist.
In einer Ausgestaltung werden die berechnete Soll-Beatmungsfrequenz fset und das festgelegte Soll-Tidalvolumen Volrid set auf der Anzeige- und Bedieneinheit 12 dargestellt. Ein Benutzer kann diese Werte bestätigen oder einen Wert durch einen manuell eingegebenen Wert überschreiben.
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- 41 / 45 - Bezugszeichenliste LU102081 1 Beatmungsgerät, beatmet den Patienten P künstlich, umfasst die Anzeige- und Bedieneinheit 12 und die Signalverarbeitungseinheit 10 2 pneumatischer Sensor vor dem Mund des Patienten P, misst den Atemwegsdruck Paw und optional den Volumenstrol Vol‘, fungiert als der Atemwegsdruck-Sensor, umfasst die Bestandteile 2.1 und 2.2
2.1 Messwertaufnehmer des Sensors 2, greift Luft aus der Fluidverbindung zwischen der Lunge Lu des Patienten P und dem Beatmungsgerät 1 ab eigentlicher Drucksensor des Sensors 2 3 Sonde in der Speiserôhre Sp des Patienten P, misst den Speiserôhren-Druck Pes UNd optional den gastralen Druck Pga 4 Anschlussstück im Mund des Patienten P, mit dem Messkatheter 6 in der Speiserôhre Sp verbunden
5.1.1, 5.1.2 | herznaher Satz von Messelektroden auf der Haut des Patienten
5.2.1, 5.2.2 | zwerchfellnaher Satz von Messelektroden auf der Haut des Patienten P Messkatheter in der Speiserôhre Sp des Patienten P, mit der Messsonde 3 und dem Anschlussstück 4 verbunden 7 gastrale Sonde im Magen Ma des Patent P, misst den gastralen Druck Pga datenverarbeitende Signalverarbeitungseinheit, empfängt Signale von den Sensoren 2, 3, 5.1.1 bis 5.2.2, 15, berechnet eine Soll-Beatmungsfrequenz fset 20201001LU 02.09.2020
- 42 / 45 - Anzeige- und Bedieneinheit des Beatmungsgeräts 1 Sensor am Beatmungsgerät 1, misst den Volumenstrom Vol‘ Faktor, um den die resistive Leistung W'r größer sein soll als die elastische Leistung Wc Compliance der Lunge des Patienten, gleich Vol / AP D1 D1 = Ti / (Ti + Te), Einatmungsanteil, zeitlicher Anteil des Einatmungsvorgangs an einem Beatmungsvorgang fist tatsächliche Frequenz der spontane Atmung oder der künstlichen Beatmung des Patienten P fminw Beatmungsfrequenz, welche zu einer minimalen gesamten Leistung W'r+W'c führt fset berechnete Soll-Beatmungsfrequenz für eine künstliche Beatmung des Patienten P, enthält einen Anteil fsetmand für die mandatorische Beatmung und einen von fspon abhängenden Anteil für die unterstützende Beatmung fset,mand Soll-Beatmungsfrequenz für eine mandatorische Beatmung, um ein angestrebtes alveoläres Minutenvolumen V'a req ZU erzielen, wird automatisch berechnet fset,mand id ideale mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz, hängt von dem Faktor a ab obere Schranke für die mandatorische Soll-Beatmungsfrequenz fspon ideale Frequenz der spontane Atmung des Patienten P, um das angestrebte alveoläre Minutenvolumen V’a req ZU erzielen Faktor für die Festlegung der Soll-Rampenzeit tr set Idealgewicht des Patienten P Ma | Magen des Patienten P 20201001LU 02.09.2020
-43/45-
Nspon Anzahl der Beatmungshübe, die innerhalb eines Zeitraums | 4192091 durch die spontane Atmung des Patienten P ausgelöst werden
Nges Anzahl der insgesamt in diesem Zeitraum durchgeführten Beatmungshübe Patient, der vom Beatmungsgerät 1 künstlich beatmet wird, hat die Lunge Lu, den Magen Ma, die Speiseröhre Sp und das Zwerchfell Zw
Pset gewünschter zeitlicher Verlauf des Drucks, der bei einem Einatmungsvorgang durch einen Beatmungshub des Beatmungsgeräts 1 erzielt wird
PTPpat Maß für den mittleren Druck, den die spontane Atmung des Patienten P bei einem Einatemzug erzeugt
PTPvent Maß für den mittleren Druck, den die künstliche Beatmung des Beatmungsgerats 1 bei einem Einatemzug erzeugt
PVaw Druck-Volumen-Verlauf, den das Zwerchfell Zw und das Beatmungsgerät 1 zusammen aufbringen
Druck-Volumen-Verlauf, den das Zwerchfell Zw aufbringt pneumatischer Widerstand der Lunge des Patienten, gleich AP / Vol‘
SML Faktor, der den Anteil des alveolären Minutenvolumens V'a spon, der durch die spontane Atmung des Patienten P aufgebracht wird, am gesamten angestrebten alveolären Minutenvolumen V/A req angibt
Speiseröhre des Patienten P, nimmt die Sonde 3 auf Lungenzeitkonstante, als Produkt R*C ermittelt Dauer der Ausatmung (Exspiration)
Ti Dauer der Einatmung (Inspiration), zugleich Dauer eines
Beatmungshubs 20201001LU 02.09.2020
- 44 / 45 - TL Trennlinie, die durch den Schnittpunkt von PVes und PVaw bzw. 0102031 durch den Schnittpunkt von Pes und Paw verläuft tR ist erzielte Rampenzeit zu Beginn eines Beatmungshubs, die verstreicht, bis der vollen Druck Pset erreicht ist Soll-Rampenzeit VA, ist tatsächliches alveoläres Minutenvolumen in [l/min], tatsächlich in den alveolären Lungenraum des Patienten P fließendes Luftvolumen V'A,req angestrebtes alveoläres Minutenvolumen in [l/min] bei der künstlichen Beatmung, wird vorgegeben VA spon alveoläres Minutenvolumen in [l/min], welches der Patient P durch seine eigene spontane Atmung erzielt V'p ist tatsächliches proximales Minutenvolumen in [l/min], tatsächlich durch den Mund des Patienten P flieRendes Luftvolumen V’P req angestrebtes proximales Minutenvolumen in [l/min] bei der künstlichen Beatmung, wird vorgegeben Vo Totraum-Volumen in der Fluidverbindung zwischen der Lunge Lu des Patienten P und dem Beatmungsgerat 1, Volumen des Totraums, der bei jedem Beatmungshub mit Luft durchstrômt wird, aber nicht zum Austausch mit dem Blut des Patienten P verwendet wird, Summe aus geréteseitigem und patientenseitigem Totraum-Volumen Vo,Ger geräteseitiges Totraum-Volumen, Volumen des Totraums im Bereich der Fluidverbindung außerhalb des Patienten P VD, Pat patientenseitiges Totraum-Volumen, Volumen des Totraums im oberen und mittleren Atemweg des Patienten P Vol‘ Volumenfluss in der Fluidverbindung, vom Sensor 3 und / oder vom Sensor 15 gemessen 20201001LU 02.09.2020
- 45 / 45 - Volrid,ist tatsächliches Tidalvolumen, welches bei einem LU102031 Einatmungsvorgang in das Atemsystem des Patienten P fließt Volrid,set Soll-Tidalvolumen, welches bei einem Atemzyklus in den Mund des Patienten appliziert werden soll, im Wesentlichen gleich dem Volumen, das bei einem Beatmungshub aus dem Beatmungsgerät 1 ausgestoßen werden soll elastische Arbeit elastische Leistung WOBPat vom Patienten P bei einem Einatemzug durch seine spontane Atmung aufgebrachter Arbeit WOBvent vom Beatmungsgerät 1 bei einem Einatemzug durch die künstliche Beatmung aufgebrachter Arbeit X Faktor fiir eine obere Schranke der mandatorischen Soll- Beatmungsfrequenz fset mand We exp am Ende eines Ausatmungsvorgangs geleistete elastische Arbeit We.ins am Ende eines Einatmungsvorgangs geleistete elastische Arbeit resistive (viskose) Arbeit resistive Leistung am Ende eines Ausatmungsvorgangs geleistete resistive Arbeit am Ende eines Einatmungsvorgangs geleistete resistive Arbeit Zwerchfell des Patienten P 20201001LU 02.09.2020
Claims (15)
1. Verfahren zum automatischen Berechnen einer Soll-Beatmungsfrequenz (fset) für ein Beatmungsgerat (1), wobei eine Fluidverbindung zwischen der Lunge (Lu) eines künstlich zu beatmenden Patienten (P) und dem Beatmungsgerät (1) hergestellt oder herstellbar ist, wobei das Beatmungsgerät (1) abhängig von der berechneten Soll- Beatmungsfrequenz (fset) Beatmungshübe in die Fluidverbindung hinein auszuführen vermag und wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass — ein Maß für einen angestrebten Volumenfluss in die Lunge (Lu) und aus der Lunge (Lu) des Patienten (P), insbesondere ein gefordertes alveoläres Minutenvolumen (V'a req) oder ein gefordertes proximales Minutenvolumen (V'P,req), vorgegeben wird, — abhängig von gemessenen Werten mindestens eines Parameters des Patienten (P) eine Lungenzeitkonstante (1) für die Lunge des Patienten (P) ermittelt wird, — das Volumen (Vp) eines Totraums in der Fluidverbindung ermittelt wird, wobei dieser Totraum zwischen dem Beatmungsgerät (1) und einen zum Gasaustausch geeigneten Bereich der Lunge (Lu) des Patienten (P) auftritt, — abhängig von dem angestrebten Volumenfluss (V'areq, V'Prea), der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) und dem ermittelten Totraum- Volumen (Vo) eine mandatorische Sollfrequenz (fsetmand) für die mandatorische Beatmung des Patienten (P) durch das Beatmungsgerät (1) berechnet wird, — abhängig von dem angestrebten Volumenfluss (V'a), der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) und dem ermittelten Totraum-Volumen (Vo) eine ideale Spontanatmungs-Frequenz (fspon) für die spontane Atmung des Patienten (P) berechnet wird, 20201001LU 02.09.2020
-2/10- das ist eine Frequenz, mit welcher der Patient (P) allein durch spontane 12108081 Atmung den angestrebten Volumenfluss (Va req, V'p req) erzielt, — ein Maß (Nspon/ Nges) für die Intensität der spontanen Atmung des Patienten (P) ermittelt wird und — die Soll-Beatmungsfrequenz (fsetr) als gewichtetes Mittel der mandatorischen Sollfrequenz (fsetmand) und der idealen Spontanatmungs- Frequenz (fspon) berechnet wird, wobei bei der Mittelung die Gewichtung (SML) von dem ermittelten Maß (Nspon / Nges) für die spontane Atmung abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, die mandatorische Solifrequenz (fsetmand) zu berechnen, die Schritte umfasst, dass — ein geforderter Einatmungsanteil (D1) vorgegeben wird, wobei der Einatmungsanteil (D1) mit dem zeitlichen Anteil eines Einatmungsvorgangs an einem gesamten Beatmungsvorgang und / oder mit dem Verhältnis zwischen der Dauer (Ti) eines Einatmungsvorgangs und der Dauer eines Atmungsvorgangs (Te) korreliert, — abhängig von der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) eine obere Schranke (fset,mandmax) für die mandatorische Sollfrequenz (fset,mand) berechnet wird, eine ideale mandatorische Sollfrequenz (fset,mand,ia) abhängig von dem vorgegebenen geforderten Einatmungsanteil (D1) berechnet wird und — die mandatorische Sollfrequenz (fsetmand) Unter Verwendung der idealen mandatorischen Sollfrequenz (fsetmand,id) SO berechnet wird, dass sie kleiner oder gleich der oberen Schranke (fset,mand,max) ist, bevorzugt als Minimum von idealer mandatorischer Sollfrequenz (fsetmand.id) und oberer Schranke (fset,mand,max).
20201001LU 02.09.2020
-3/10-
3. Verfahren nach Anspruch 2, LU102081 dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, die ideale mandatorische Sollfrequenz (fsetmand,id) ZU berechnen, die Schritte umfasst, dass — ein Lungenmodell vorgegeben wird, welches näherungsweise das pneumatische Verhalten der Lunge (Lu) eines Menschen (P) beschreibt und — die ideale mandatorische Sollfrequenz (fsetmanaia) zusätzlich in Abhängigkeit von einer resistiven Leistung (Wr), die gemäB dem Lungenmodell bei einer mandatorischen Beatmung mit dieser Frequenz (fsetmanaid) aus der mandatorischen Beatmung resultiert, und einer elastischen Leistung (W'c), die gemäß dem Lungenmodell bei einer mandatorischen Beatmung mit dieser Frequenz (fsetmandid) aus der mandatorischen Beatmung resultiert, berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsfaktor (1+a) vorgegeben wird, der größer oder gleich 1 und bevorzugt kleiner als 1,2 ist, die ideale mandatorische Sollfrequenz (fsetmand,id) dergestalt berechnet wird, dass bei einer mandatorischen Beatmung mit dieser Frequenz (fset,mand,ia) das Verhältnis aus — der resistiven Leistung (Wr), die gemäß dem Lungenmodell aus der mandatorischen Beatmung resultiert, und — der elastischen Leistung (W'c), die gemäß dem Lungenmodell aus der mandatorischen Beatmung resultiert, 20201001LU 02.09.2020
-4/10- gleich dem vorgegebenen Leistungsfaktor (1+a) ist. LU102031
5. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Initialisierungsphase unter Verwendung des Lungenmodells und des optionalen Leistungsfaktors (1+a) eine Konstante berechnet wird und in einer nachfolgenden Nutzungsphase die ideale mandatorische Sollfrequenz (fsetmand,id) unter Verwendung — des Einatmungsanteils (D1), — der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) und — der Konstante berechnet wird.
6. Verfahren nach einen der Anspriiche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ideale mandatorische Sollfrequenz (fsetmand,id) dergestalt berechnet wird, dass sie umso größer ist, je größer der vorgegebene geforderte Einatmungsanteil (D1) ist.
7. Verfahren nach einen der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schranke (fset mand max) für die mandatorische Sollfrequenz (fsetmand) zusätzlich unter Verwendung des angestrebten Volumenflusses (V’a req) und / oder des ermittelten Totraum-Volumens (Vp) berechnet wird, bevorzugt unter Verwendung des Quotienten aus dem angestrebten Volumenfluss (V'A,req) und dem Totraum-Volumen (Vo). 20201001LU 02.09.2020
-5/10-
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, LU102031 dadurch gekennzeichnet, dass die mandatorische Sollfrequenz (fsetmand) für die mandatorische Beatmung dergestalt berechnet wird, dass sie größer oder gleich der idealen Spontanatmungs-Frequenz (fspon) für die spontane Atmung ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß (Nspon / Nges) für die Intensität der spontanen Atmung des Patienten (P) ermittelt wird, welchen Anteil die mechanische Arbeit (WVOBPat) oder die mechanische Leistung, welche die spontane Atmung des Patienten (P) während eines Einatemzugs erbringt, an der gesamten während des Einatemzugs aufgebrachten Arbeit (WOBpat+WOBvent) bzw. Leistung hat.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von — dem angestrebten Volumenfluss (V’A,req, V'P req), — dem ermittelten Totraum-Volumen (Vp) und — der berechneten Soll-Beatmungsfrequenz (fset) ein Soll-Tidalvolumen (VolTiaset) berechnet wird, das ist ein Wert für das Volumen, welches das Beatmungsgerät (1) bei einem Beatmungshub in die Fluidverbindung einspeisen soll, und das Beatmungsgerät (1) mit dem Regelungsziel angesteuert wird, dass bei mindestens einem Beatmungshub das erzeugte Tidalvolumen (Volrid,ist) gleich dem berechneten Soll-Tidalvolumen (VolTia,set) ist. 20201001LU 02.09.2020
-6/10- LU102031
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) eine geforderte Rampenzeit (ir set) für mindestens einen Beatmungshub ermittelt wird, das ist die Zeitspanne, die am Beginn eines Beatmungshubs verstreicht, bis der maximale Druck erreicht ist, mit dem das Beatmungsgerät (1) den Beatmungshub ausführt, und das Beatmungsgerat (1) mit dem Regelungsziel angesteuert wird, dass bei mindestens einem Beatmungshub, bevorzugt jedem Beatmungshub, die erzielte Rampenzeit (frist) gleich der berechneten geforderten Rampenzeit (tr set) ist.
12. Signalverarbeitungseinheit (10), die zum automatischen Berechnen einer Soll-Beatmungsfrequenz (fset) für ein Beatmungsgerat (1) ausgestaltet ist, wobei eine Fluidverbindung zwischen der Lunge (Lu) eines künstlich zu beatmenden Patienten (P) und dem Beatmungsgerat (1) herstellbar oder hergestellt ist, wobei das Beatmungsgerät (1) dazu ausgestaltet ist, abhängig von der berechneten Soll-Beatmungsfrequenz (fse) Beatmungshübe in die Fluidverbindung hinein auszuführen, wobei die Signalverarbeitungseinheit (10) einen Datenspeicher umfasst oder wenigstens zeitweise Lesezugriff auf einen Datenspeicher aufweist, wobei in dem Datenspeicher ein Maß für einen angestrebten Volumenfluss in die Lunge (Lu) des Patienten (P), insbesondere ein gefordertes alveoläres Minutenvolumen (V'A req) oder ein gefordertes proximales Minutenvolumen (V’P,rea), abgespeichert ist, wobei die Signalverarbeitungseinheit (10) dazu ausgestaltet ist, 20201001LU 02.09.2020
-7/10- — Messwerte von mindestens einem Patienten-Sensor (2, 3, 7) zu 10106091 empfangen, wobei der Patienten-Sensor (2, 3, 7) mindestens einen Parameter des Patienten (P) zu messen vermag, — abhängig von den Messwerten des oder mindestens eines Patienten- Sensors (2, 3, 7) eine Lungenzeitkonstante (1) für die Lunge des Patienten (P) zu ermitteln, — das Volumen (Vp) eines Totraums in der Fluidverbindung zu ermitteln, wobei dieser Totraum zwischen dem Beatmungsgerät (1) und der Lunge (Lu) des Patienten (P) auftritt, — abhängig von dem abgespeicherten angestrebten Volumenfluss (V'A req, V'Preq), der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) und dem ermittelten Totraum-Volumen (Vo) eine mandatorische Sollfrequenz (fset mana) für die mandatorische Beatmung des Patienten (P) durch das Beatmungsgerät (1) zu berechnen, — abhängig von dem angestrebten Volumenfluss (V'a), der ermittelten Lungenzeitkonstante (T) und dem ermittelten Totraum-Volumen (Vp) eine ideale Spontanatmungs-Frequenz (fspon) für die spontane Atmung des Patienten (P) zu berechnen, das ist eine Frequenz, mit welcher der Patient (P) allein durch spontane Atmung den angestrebten Volumenfluss (V'A,rea, V'P,req) erzielt, — ein Mal (nspon/ Nges) für die Intensität der spontanen Atmung des Patienten (P) zu ermitteln und — die Soll-Beatmungsfrequenz (fse) als gewichtetes Mittel der mandatorischen Sollfrequenz (fsetmand) und der idealen Spontanatmungs- Frequenz (fspon) ZU berechnen, wobei bei der Mittelung die Gewichtung (SML) von ermittelten Maß (nspon / Nges) für die spontane Atmung abhängt.
13. Beatmungsgerät (1) zur künstlichen Beatmung eines Patienten (P), 20201001LU 02.09.2020
-8/10- wobei eine Fluidverbindung zwischen der Lunge (Lu) eines künstlich zu -/102081 beatmenden Patienten (P) und dem Beatmungsgerät (1) herstellbar oder hergestellt ist, wobei das Beatmungsgerät (1) wenigstens zeitweise mit mindestens einem Patienten-Sensor (2, 3, 7) verbindbar oder verbunden ist, welcher mindestens einen Parameter des Patienten (P) zu messen vermag, wobei das Beatmungsgerät (1) einen Datenspeicher umfasst oder wenigstens zeitweise Lesezugriff auf einen Datenspeicher aufweist, wobei in dem Datenspeicher ein Mal für einen angestrebten Volumenfluss in die Lunge (Lu) des Patienten (P), insbesondere ein gefordertes alveoläres Minutenvolumen (V'A req) oder ein gefordertes proximales Minutenvolumen (V'P,rea), abgespeichert ist, wobei das Beatmungsgerät (1) dazu ausgestaltet ist, — eine Soll-Beatmungsfrequenz (fset) zu berechnen und — abhängig von der berechneten Soll-Beatmungsfrequenz (fset) Beatmungshübe in die Fluidverbindung hinein auszuführen, wobei das Beatmungsgerät (1) dazu ausgestaltet ist, — Messwerte von mindestens einem Patienten-Sensor (2, 3, 7) zu empfangen, wobei der Patienten-Sensor (2, 3, 7) mindestens einen Parameter des Patienten (P) zu messen vermag, — abhängig von den Messwerten des oder mindestens eines Patienten- Sensors (2, 3, 7) eine Lungenzeitkonstante (1) für die Lunge des Patienten (P) zu ermitteln, — das Volumen (Vo) eines Totraums in der Fluidverbindung zu ermitteln, wobei dieser Totraum zwischen dem Beatmungsgerät (1) und der Lunge (Lu) des Patienten (P) auftritt, — abhängig von dem abgespeicherten angestrebten Volumenfluss (Va req, V'Preq), der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) und dem ermittelten Totraum-Volumen (Vb) eine mandatorische Sollfrequenz (fset,mand) für die 20201001LU 02.09.2020
-9/10- mandatorische Beatmung des Patienten (P) durch das Beatmungsgerät LU102031 (1) zu berechnen, — abhängig von dem angestrebten Volumenfluss (V'a), der ermittelten Lungenzeitkonstante (1) und dem ermittelten Totraum-Volumen (Vp) eine ideale Spontanatmungs-Frequenz (fspon) für die spontane Atmung des Patienten (P) zu berechnen, das ist eine Frequenz, mit welcher der Patient (P) allein durch spontane Atmung den angestrebten Volumenfluss (Va req, V'P req) erzielt, — ein Maß (nspon/ Nges) für die Intensität der spontanen Atmung des Patienten (P) zu ermitteln und — die Soll-Beatmungsfrequenz (fset) als gewichtetes Mittel der mandatorischen Sollfrequenz (fsetmand) und der idealen Spontanatmungs- Frequenz (fspon) zu berechnen, wobei bei der Mittelung die Gewichtung (SML) von ermittelten Maß (nspon / Nges) für die spontane Atmung abhängt.
14. Computerprogramm, welches auf einer Signalverarbeitungseinheit (10) ausführbar ist und bei der Ausführung auf der Signalverarbeitungseinheit (10) dann, wenn die Signalverarbeitungseinheit (10) Messwerte von mindestens einem Patienten- Sensor (2, 3, 7) empfängt, bewirkt, dass die Signalverarbeitungseinheit ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführt.
15.Signalfolge, welche von einer Signalverarbeitungseinheit (10) empfangbar und ausführbar ist und 20201001LU 02.09.2020
- 10/10 - bei der Ausführung auf der Signalverarbeitungseinheit (10) dann, wenn die LU102031 Signalverarbeitungseinheit (10) Messwerte von mindestens einem Patienten- Sensor (2, 3, 7) empfängt, bewirkt, dass die Signalverarbeitungseinheit ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführt. 20201001LU 02.09.2020
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| LU102031A LU102031B1 (de) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Festlegung der Sollfrequenz eines Beatmungsgeräts |
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|---|---|
| LU (1) | LU102031B1 (de) |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Effective date: 20220304 |