DE19714684A1 - Lung simulator for testing respiration or anaesthetics equipment - Google Patents

Lung simulator for testing respiration or anaesthetics equipment

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DE19714684A1
DE19714684A1 DE1997114684 DE19714684A DE19714684A1 DE 19714684 A1 DE19714684 A1 DE 19714684A1 DE 1997114684 DE1997114684 DE 1997114684 DE 19714684 A DE19714684 A DE 19714684A DE 19714684 A1 DE19714684 A1 DE 19714684A1
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lung
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respiratory
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DE1997114684
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Peter Emil Gotthil Kitzenmaier
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MEDECONTROL ELECTRONICS GmbH
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    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
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    • A62B—DEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
    • A62B27/00—Methods or devices for testing respiratory or breathing apparatus for high altitudes

Abstract

The simulator provides active or passive simulation of lung function using at least one gas line (4,7) having an air connection (1) at one end and a variable volume container (11) at the other end. The respiration gas flow is measured along the gas line. The volume of the variable volume container is altered using a setting drive (15), which is controlled as a function of at least one lung parameter, e.g. the resistance, compliance, respiration air volume, or respiration frequency. The setting drive may be controlled by a computer or electronic system (25a-c).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine tragbare, kompakte Vorrichtung zur computergesteuerten aktiven und passiven Lungensimulation von Atemgasströmungen sowie ein Verfahren zur Steuerung eines aktiven und passiven Lungensimulators. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine sicherheitstechnische Funktionskontrolle von Beatmungs- und Narkosebeatmungsgeräten insbesondere auch mit der Möglichkeit eine assistierte Beatmung automatisiert zu überprüfen. Mit dieser Vorrichtung können die pneumatischen Verhältnisse einer jeden Patientenlunge vollständig simuliert werden, sowohl hinsichtlich einer passiven Beatmung, als auch hinsichtlich einer aktiven Lungenfunktion. Sehr vorteilhaft ist die Möglichkeit die Lungenparameter Resistance, Compliance, Atemfrequenz und Atemhubvolumen mit einem Computer elektronisch geregelt einstellen zu können und daß die Vorrichtung relativ klein, leicht und gut tragbar ist.The present invention relates to a portable, compact device for computer-controlled active and passive lung simulation of respiratory gas flows and a method for controlling an active and passive lung simulator. The The device according to the invention and the method according to the invention allow one safety-related function control of respiratory and anesthetic ventilators especially with the option of automated ventilation check. With this device, the pneumatic conditions of each Patient's lungs are fully simulated, both in terms of passive ventilation, as well as active lung function. The possibility is very advantageous Lung parameters resistance, compliance, respiratory rate and tidal volume with one To be able to adjust the computer electronically and that the device is relatively small, is light and easy to carry.

Stand der TechnikState of the art

Bekannt sind Lungensimulationssysteme, durch die eine passive Lungenfunktion, bestehend aus Resistance (Atemwegströmungswiderstand) und Compliance (Lungensteifigkeit), nachgebildet werden kann. Solche Lungensimulationssysteme gemäß Fig. 2 bestehen üblicherweise aus einem Mundanschluß 1, an den das Beatmungsgerät 53 angeschlossen wird und an den andererseits eine Atemgassensorik 50 und der Lungensimulator 51 angeschlossen sind.Lung simulation systems are known, by means of which a passive lung function consisting of resistance (airway flow resistance) and compliance (lung stiffness) can be simulated. Such lung simulation systems according to FIG. 2 usually consist of a mouth connection 1 , to which the respirator 53 is connected and to which, on the other hand, a breathing gas sensor system 50 and the lung simulator 51 are connected.

Die Atemgassensorik 50 besteht üblicherweise aus einem Drucksensor 2, einer Sensorkombination 3 für den Sauerstoffgehalt und die Atemgastemperatur und einem Gasströmungssensor 5 (Flow-Sensor), der mit einem Differenzdrucksensor 6 in Verbindung steht.The breathing gas sensor system 50 usually consists of a pressure sensor 2 , a sensor combination 3 for the oxygen content and the breathing gas temperature and a gas flow sensor 5 (flow sensor) which is connected to a differential pressure sensor 6 .

Der Lungensimulator besteht aus einem mechanischen Strömungswiderstand 30, der den Atemwegströmungswiderstand (Resistance) simuliert, und einem elastischen Faltenbalg 38, der über eine mechanisch einstellbare Feder 35 seine Steifigkeit erhält und somit die Steifigkeit der Lunge simuliert. Eine Spontanatmungssimulation kann durch eine zusätzliche Schubkolbeneinheit 31 erzeugt werden, mit dem geringe Luftverschiebungen in der Größenordnung von 100 ml erzeugt werden können.The lung simulator consists of a mechanical flow resistance 30 , which simulates the airway flow resistance (resistance), and an elastic bellows 38 , which receives its rigidity via a mechanically adjustable spring 35 and thus simulates the rigidity of the lungs. A spontaneous breathing simulation can be generated by an additional thrust piston unit 31 , with which slight air displacements of the order of 100 ml can be generated.

Nachteilig an solchen Systemen ist, daß das Totvolumen selbst im zusammengepreßten Faltenbalg groß ist und daß die Schubkolbeneinheit nicht ausreicht um physiologische Atemvolumina zu erzeugen, was aufgrund des Totvolumens des Faltenbalgs auch nicht mit sinnvollem Aufwand möglich ist. Solche erhältlichen Systeme simulieren den Beatmungsapparat des Menschen also nicht vollständig und sind zudem systembedingt groß, sperrig, schwer und teuer. Von Nachteil ist auch, daß der Strömungswiderstand als mechanisches Lochblendenelement entsprechend der Patientensimulation eingesetzt bzw. ausgewechselt werden muß. Bei einer Anzahl "z" von zu simulierenden Strömungswiderständen müssen also "z" verschiedene Lochblenden vorliegen bzw. eingesetzt werden. Auch ist die Lungensteifigkeit nur in gewissen Grenzen variierbar und muß mechanisch durch die Verstellung der Feder 35 über den Verstellweg x eingestellt werden. Nichtlinearitäten in der Lungensteifigkeit, so wie sie bei manchen Patienten vorliegen, lassen sich nur mit viel Aufwand bei verschiedenen parallelen Federsystemen einstellen. Der Aufbau der genannten Vorrichtung ist relativ groß und läßt keinen geschlossenen Geräteaufbau zu.A disadvantage of such systems is that the dead volume is large even in the compressed bellows and that the thrust piston unit is not sufficient to produce physiological breathing volumes, which is also not possible with reasonable effort due to the dead volume of the bellows. Such available systems do not completely simulate the respiratory system of humans and, due to the system, are also large, bulky, heavy and expensive. It is also disadvantageous that the flow resistance must be used or replaced as a mechanical pinhole element in accordance with the patient simulation. With a number "z" of flow resistances to be simulated, "z" different pinholes must be present or used. The lung stiffness can only be varied within certain limits and must be adjusted mechanically by adjusting the spring 35 via the adjustment path x. Nonlinearities in the stiffness of the lungs, as they exist in some patients, can only be set with great effort with different parallel spring systems. The structure of the device mentioned is relatively large and does not allow a closed device structure.

Mit solchen Systemen werden derzeit Beatmungsgeräte auf ihre Funktionssicherheit hin überprüft. With such systems, ventilators are currently being tested for their functional reliability checked.  

Eine interessante Laborlösung eines aktiven Lungensimulators basiert auf dem "Bag-in- Bottle"-Prinzip. Dabei ist in einen volumenkostanten Behälter ein flexibler, luftundurchlässiger Sack ("Bag") eingebracht, dessen Innenraum über eine Gasleitung mit einem Strömungswiderstand und dann dem Beatmungsgerät in Verbindung steht. Der Luftdruck im Innenraum des flexiblen Sacks ist naturgemäß gleich dem Außendruck im Innern des starren, den Sack umgebenden Behälters, der über Ventile, die zum einen an eine Überdruckleitung und zum anderen an eine Unterdruckleitung angeschlossen sind, über einen Computer gesteuert wird.An interesting laboratory solution for an active lung simulator is based on the "bag-in Bottle "principle. A flexible, flexible container air-impermeable sack ("Bag") introduced, the interior of a gas line with a flow resistance and then the ventilator. Of the Air pressure in the interior of the flexible sack is naturally equal to the outside pressure in the Inside the rigid container surrounding the sack, which is connected to valves on the one hand an overpressure line and on the other hand are connected to a vacuum line, is controlled by a computer.

Nachteilig an diesem System ist das noch größere Totraumvolumen des Behälters und des Sacks, das eine große Kompressibilität der gesamten Luftmasse zur Folge hat. Dadurch müßten zur schnellen Veränderung des Lungendrucks, so wie es bei einem kleinen Atemzugvolumen und schneller Atemfrequenz der Fall ist, große Luftmassen schnell in den Behälter hineingepreßt und herausgesogen werden, was durch das Vorhandensein einer Druckleitung und dazu noch einer Unterdruckleitung technisch aufwendig und zudem geräuschmäßig in einem Krankenhaus nicht praktikabel ist.A disadvantage of this system is the even larger dead space volume of the container and the Sacks that result in a great compressibility of the total air mass. Thereby would have to change the lung pressure quickly, like a small one Tidal volume and faster respiratory rate is the case, large air masses quickly into the Container pressed in and sucked out, which is due to the presence of a Pressure line and also a vacuum line technically complex and also is not practical in terms of noise in a hospital.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, und eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit der die Patientenparameter, insbesondere die Resistance und Compliance, die Spontanatmungsfunktion und die Atemfrequenz über eine PC-Software leicht einstellbar sind. Darüber hinaus soll das System so klein, leicht, tragbar und kostengünstig wie möglich sein.An object of the present invention is to avoid the aforementioned disadvantages and to provide an apparatus and a method with which the patient parameters, in particular resistance and compliance, the spontaneous breathing function and Breathing frequency can be easily adjusted using PC software. In addition, that should System should be as small, light, portable and inexpensive as possible.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es einen Lungensimulator zu schaffen, der eine kontinuierliche Regelung des Innendrucks des Lungensimulators abhängig vom den Beatmungsparametern durchführt.Another object of the invention is to provide a lung simulator that has a continuous regulation of the internal pressure of the lung simulator depending on the Ventilation parameters.

Lösungsolution

Diese und weitere der nachstehenden Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden von einem Lungensimulator sowie ein Verfahren gemäß der anliegenden Ansprüche gelöst, mit denen auf einfache Weise alle relevanten Beatmungsparameter gemessen werden können und die Lungenparameter wie Resistance und Compliance über eine Software auf einem Computer einfach eingestellt werden können. Neben der passiven Lungensimulation mit beliebigen nichtlinearen Compliance-Kurven kann ebenso eine aktive Lungensimulation über die Software eingestellt werden.These and other tasks will become apparent from the description below solved by a lung simulator and a method according to the appended claims, with which all relevant ventilation parameters can be measured in a simple manner can and the lung parameters such as resistance and compliance via software can be easily set on a computer. In addition to passive lung simulation With any nonlinear compliance curve, an active lung simulation can also be performed can be set via the software.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind deutlich der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Lungensimulators unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further features and advantages of the invention are clear from the following description an embodiment of a lung simulator with reference to the accompanying Take drawings. Show it:

Fig. 1 Einen Lungensimulator der vorliegenden Erfindung, bestehend aus einem Lufteinlaßkanal 1 mit Sensoren 2, 3, 5, 6 und einem Zylinder-Kolbensystem 11 in Verbindung mit einem Motorantrieb 15. Eine Elektronik 25 bestehend aus einer Meßelektronik 25a, einer Steuerelektronik 25b und einer Regelelektronik 25c steht über eine Schnittstelle 26 mit einem Personal Computer (PC) in Verbindung. Fig. 1 a lung simulator with the present invention, consisting of an air inlet channel 1 with sensors 2, 3, 5, 6 and a cylinder-piston system 11 in connection with a motor drive 15. Electronics 25 consisting of measurement electronics 25 a, control electronics 25 b and control electronics 25 c is connected via an interface 26 to a personal computer (PC).

Fig. 2 Einen aus dem Stand der Technik bekannten Lungensimulator, wobei ein Beatmungsgerät 53 über einen Beatmungsschlauch 54 mit dem Sensorteil 50 und dieser weiter mit einem passiven Lungensimulator 51 verbunden ist. Eine Leakage 32 und eine aktive Seufzeratmung 31 ist in Blockdiagramm 52 dargestellt. Fig. 2 shows a known prior art lung simulator, wherein a ventilator 53 and this is further connected to a passive lung simulator 51 through a ventilation tube 54 with the sensor portion 50. A leakage 32 and an active sigh breathing 31 is shown in block diagram 52 .

Gemäß Fig. 1 weist die vorliegende Erfindung einen Lufteinlaß 1 auf, an den ein (nicht gezeigtes) Beatmungsgerät angeschlossen werden kann und der in Verbindung mit einer ersten Gasleitung 4 steht, an der ein Beatmungsdrucksensor 2 und ein Sauerstoffgehalt- und Atemgastemperatursensor 3 angeschlossen sind. Diese erste Gasleitung 4 mündet in ein erstes Ende eines Strömungssensors 5 (Flow-Sensor), dessen zweites Ende mit einer zweiten Gasleitung 7 verbunden ist. Die Atemgasströmung wird über einen mit dem Strömungssensor 5 verbundenen Differenzdrucksensor 6 ermittelt. Die zweite Gasleitung 7 steht weiterhin mit einem Zylinder-Kolbensystem 11 in Verbindung. Das Innenvolumen des Zylinder-Kolbensystems 11 kann mit einer Stellvorrichtung 15 verändert werden, indem der Kolben weiter in den Zylinder hineingedrückt oder herausgezogen wird. Mit der PC-Schnittstelle 26 werden die Parameter zur Lungensimulation in die dann autark arbeitende Elektronik eingespeist. Ein weiterer Sensor 16 zur Bestimmung der Kolbenverstellung ist mit der Stellvorrichtung 15 operativ verbunden. Die Stellvorrichtung 15 kann durch eine Federkraft in expiratorischer Richtung und durch einen Pneumatik-Schubkolben in inspiratorischer Richtung oder umgekehrt oder durch zwei gesteuerte Pneumatik-Schub­ kolben mit einem Druckanschluß ausgebildet werden.Referring to FIG. 1, the present invention comprises an air inlet 1 which can be connected to the (not shown) ventilator and which is in communication with a first gas duct 4, are located at the connected a ventilation pressure sensor 2 and an oxygen content and breathing gas temperature sensor 3. This first gas line 4 opens into a first end of a flow sensor 5 (flow sensor), the second end of which is connected to a second gas line 7 . The respiratory gas flow is determined via a differential pressure sensor 6 connected to the flow sensor 5 . The second gas line 7 is also connected to a cylinder-piston system 11 . The internal volume of the cylinder-piston system 11 can be changed with an adjusting device 15 by pushing the piston further into or out of the cylinder. With the PC interface 26 , the parameters for lung simulation are fed into the autonomously operating electronics. Another sensor 16 for determining the piston adjustment is operatively connected to the adjusting device 15 . The actuating device 15 can be formed by a spring force in the expiratory direction and by a pneumatic push piston in the inspiratory direction or vice versa or by two controlled pneumatic push pistons with a pressure connection.

Mit der Meßelektronik 25a werden die Sensorsignale vom Differenzdrucksensor 6, vom Beatmungsdrucksensor 2, vom Sauerstoffgehalt- und Atemgastemperatursensor 3, und vom Kolbenverstellungssensor 16 zugeführt und aufbereitet. Wie nachstehend erläutert, wird dann gemäß der eingestellten Lungenparameter (Resistance und Compliance) der Soll-Beatmungsdruck berechnet, der dann als Stellgröße der Regelelektronik 25c zugeführt wird. Mit der Steuergröße 24 wird die Stellvorrichtung 15 und damit das Zylinder-Kolben­ system 11 angesteuert.With the measuring electronics 25 a, the sensor signals from the differential pressure sensor 6 , from the ventilation pressure sensor 2 , from the oxygen content and breathing gas temperature sensor 3 , and from the piston adjustment sensor 16 are supplied and processed. As explained below, the target ventilation pressure is then calculated in accordance with the set lung parameters (resistance and compliance), which is then supplied to the control electronics 25 c as a manipulated variable. With the control variable 24 , the actuator 15 and thus the cylinder-piston system 11 is controlled.

Wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, daß keine mechanisch auswechselbaren Teile in der Vorrichtung vorkommen, also keine auswechselbare Loch­ blendenströmungswiderstände (Resistance) und keine mechanisch einstellbaren Federsteifigkeiten (Compliance). Die Resistance und Compliance werden vollständig durch entsprechende Regelung des Zylinder-Kolbensystems, das kein nennenswertes Totraumvolumen in der Expirationsphase aufweist erzeugt. Der gesamte Aufbau besteht im wesentlichen nur aus dem Strömungssensor 5, Differenzdrucksensor 6, dem Zylinder-Kolben­ system 11, dem Stellglied 15 und der Elektronik 25. Es werden keine schweren Ventile und keine Druck- und Unterdruckanschlüsse benötigt.An essential part of the present invention is that there are no mechanically interchangeable parts in the device, that is to say no interchangeable hole diaphragm flow resistances (resistance) and no mechanically adjustable spring stiffness (compliance). The resistance and compliance are completely generated by appropriate control of the cylinder-piston system, which has no significant dead space volume in the expiration phase. The entire structure consists essentially of the flow sensor 5 , differential pressure sensor 6 , the cylinder-piston system 11 , the actuator 15 and the electronics 25th No heavy valves and no pressure and vacuum connections are required.

Die Gerätevorrichtung hat einen geschlossenen Aufbau und kommt bei einem simulierten Atemvolumen von etwa 3 l mit Gehäuseabmaßen von 39 × 14 × 35 cm aus.The device device has a closed structure and comes with a simulated one Tidal volume of about 3 l with housing dimensions of 39 × 14 × 35 cm.

Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist, den Beatmungsdruck in der ersten und zweiten Gasleitung 4 und 7 derart durch Volumenänderung des Zylinder-Kolbensystems 11 zu erzeugen, daß sich gerade derjenige Beatmungsdruck ergibt, der sich bei einer tatsächlich vorhandenen Resistance und Compliance ergeben würde.An essential component of the invention is to generate the ventilation pressure in the first and second gas lines 4 and 7 by changing the volume of the cylinder-piston system 11 in such a way that the ventilation pressure that would result from an actually existing resistance and compliance results.

Der Soll-Druckanteil p01 der Resistance läßt sich gemäß Gleichung 1 berechnen:
The target pressure component p 01 of the resistance can be calculated according to equation 1:

p01 = R.dV/dt, (Gleichung 1)
p 01 = R.dV / dt, (equation 1)

wobei R der vorgegebene Resistanceparameter ist und dV/dt den Atemgasflow darstellt. Der Resistanceparameter kann aus einer vorabgespeicherten Tabelle des PCs über die Schnittstelle 26 in die Steuerelektronik 25b eingelesen werden. Der Atemgasflow dV/dt wird über die Sensorik 5 und 6 (d. h. über den Strömungssensor 5 und Differenzdrucksensor 6) bestimmt.where R is the specified resistance parameter and dV / dt represents the breathing gas flow. The Resistance parameters can be read b from a pre-stored table of the PC via the interface 26 in the control electronics 25th The respiratory gas flow dV / dt is determined via sensors 5 and 6 (ie via flow sensor 5 and differential pressure sensor 6 ).

Da in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1, wie vorstehend erwähnt, kein Strömungswiderstand existiert, ist dieser Gegendruck durch das Zylinder-Kolbensystem zu erzeugen. Dazu wird aus dem Produkt des Atemgasflows dV/dt und des vorgegebenen Resistanceparameter R der daraus resultierende Soll-Druck p01 berechnet und der Regelung des Zylinder-Kolbensystem 11 als Steuergröße 24 zugeführt.Since, as mentioned above, there is no flow resistance in the device according to the invention according to FIG. 1, this back pressure is to be generated by the cylinder-piston system. For this purpose, the resulting desired pressure p 01 is calculated from the product of the respiratory gas flow dV / dt and the predetermined resistance parameter R and fed to the control of the cylinder-piston system 11 as a control variable 24 .

Der Soll-Druckanteil p02 der Compliance läßt sich gemäß Gleichung 2 berechnen:
The target pressure component p 02 of compliance can be calculated according to equation 2:

p02 = C-1.∫ dV/dt dt (Gleichung 2)
p 02 = C -1 .∫ dV / dt dt (equation 2)

wobei C der vorgegebene Complianceparameter ist und dV/dt den Atemgasflow darstellt. Der Complianceparameter kann ebenfalls aus einer vorab gespeicherten Tabelle des PCs über die Schnittstelle 26 in die Steuerelektronik 25b eingelesen werden.where C is the specified compliance parameter and dV / dt represents the breathing gas flow. Compliance parameters can also be read b from a pre-stored table of the PC via the interface 26 in the control electronics 25th

Da in erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 ebenfalls keine Compliance existiert ist auch hier der Gegendruck durch das Zylinder-Kolbensystem 11 zu erzeugen. Es wird der Atemgasflow gemessen und integriert, woraus sich das verschobene Gasvolumen V ergibt und der resultierende Soll-Druck p02 als additive Steuergröße der Regelung des Zylinder-Kolben­ system 11 zugeführt wird.Since there is also no compliance in the device according to the invention according to FIG. 1, the counterpressure must also be generated here by the cylinder-piston system 11 . The breathing gas flow is measured and integrated, which results in the shifted gas volume V and the resulting target pressure p 02 is supplied as an additive control variable for the control of the cylinder-piston system 11 .

Der aufzubringende Soll-Gegendruck berechnet sich also als p0 = p01 + p02.The target back pressure to be applied is thus calculated as p 0 = p 01 + p 02 .

Obwohl vorstehend nur die Berechnung des Gegendrucks unter Berücksichtigung der Lungenparameter Resistance und Compliance beschrieben worden ist, können auch weitere Parameter wie beispielsweise Atemzugvolumen und Atemfrequenz zur Regelung des Zylinder-Kolbensystems 11 herangezogen werden, wobei die jeweiligen Parameter analog in einen PC gespeist werden und der Elektronik 25 zugeführt werden. Die Regelung des Zylinder-Kolbensystems 11 erfolgt auf eine für den Fachmann bekannte Art und Weise.Although only the calculation of the back pressure taking into account the lung parameters resistance and compliance has been described above, further parameters such as tidal volume and respiratory frequency can also be used to control the cylinder-piston system 11 , the respective parameters being fed analogously into a PC and the electronics 25 are supplied. The cylinder-piston system 11 is regulated in a manner known to the person skilled in the art.

Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt der vorliegende Erfindung berechnet der Beatmungsdrucksensor 2 den Ist-Beatmungsdruck in der zweiten Gasleitung 7 und führt diesen der Elektronik 25 zu. Somit kann eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert beseitigt werben.According to a particularly advantageous aspect of the present invention, the ventilation pressure sensor 2 calculates the actual ventilation pressure in the second gas line 7 and supplies it to the electronics 25 . This means that a discrepancy between the setpoint and actual value can be eliminated.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, löst die vorliegende Erfindung die davor aufgestellte Aufgabe. Der erfindungsgemäße Lungensimulator zeichnet sich dadurch aus, daß er keine nennenswerte mechanische Resistance (Strömungswiderstand) hat, die einen Einfluß auf den Beatmungsdruck ausübt. Dahingegen wird der Beatmungsdruckanteil, der durch einen Strömungswiderstand erzeugt worden wäre, durch die Messung des Volumenstroms berechnet und entsprechend als Gegendruck erzeugt.As is apparent from the above description, the present invention solves the previous task. The lung simulator according to the invention is characterized by this that he has no significant mechanical resistance (flow resistance), the has an influence on ventilation pressure. In contrast, the  Ventilation pressure component that would have been generated by a flow resistance by the measurement of the volume flow is calculated and generated accordingly as a back pressure.

Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Lungensimulator keine mechanische Compliance (Lungensteifigkeit), die einen Einfluß auf den Beatmungsdruck ausüben würde. Dahingegen wird der Beatmungsdruckanteil, der durch eine Compliance der Lunge und ein eingeströmtes Gasvolumen zustande käme, durch Messung und Integration des Volumenstroms berechnet und ebenfalls entsprechend als Gegendruck erzeugt.In addition, the lung simulator according to the invention has no mechanical Compliance (lung stiffness) that would have an impact on ventilation pressure. In contrast, the proportion of ventilation pressure caused by compliance of the lungs and a flowed gas volume would come about by measuring and integrating the Volume flow calculated and also generated accordingly as a back pressure.

An dem erfindungsgemäßen Lungensimulator können viele Abänderungen, die in den Schutzumfang und Erfindungsgedanken fallen, vorgenommen werden.Many changes can be made to the lung simulator according to the invention Scope of protection and inventive concept fall.

Insbesondere können auch andere im Volumen veränderliche Behälter an Stelle des Zylinder-Kolbensystem Verwendung finden. Es ist da ebenso an ein Faltenbalg-Motor­ system zu denken.In particular, other containers with variable volume can be used instead of the Cylinder-piston system are used. There is also a bellows motor system to think.

Eine weitere Abwandlung des Systems besteht darin, auch auf den Strömungssensor 5 verzichten zu können, indem das verschobene Gasvolumen gemäß den Sätzen der Thermodynamik aus dem Druck und aus dem Zylinder-Kolben-Verschiebeweg x hergeleitet werden kann. Die Steuerung des volumenvariablen Behälters (11) kann auch durch das Stellglied 15 direkt über Beatmungsdruck erfolgen.A further modification of the system consists in also being able to dispense with the flow sensor 5 , in that the shifted gas volume can be derived from the pressure and from the cylinder-piston displacement path x according to the thermodynamic theorems. The variable-volume container ( 11 ) can also be controlled by the actuator 15 directly via ventilation pressure.

Claims (16)

1. Eine Vorrichtung zur aktiven und/oder passiven Lungensimulation, die folgendes umfaßt:
  • a) mindestens eine Gasleitung (4, 7), die an einem ersten Ende einen Luftanschluß (1) aufweist,
  • b) ein Mittel (2, 5, 6, 16) zur Bestimmung des Atemgasflows in der Gasleitung (4, 7), und
  • c) einem volumenvariablen Behälter (11), der mit dem zweiten Ende der Gasleitung (4, 7) abschließend verbunden ist,
  • d) wobei das Volumen des volumenvariablen Behälters (11) durch einen Stellantrieb (15) abhängig von mindestens einem vorgegebenen Lungenparameter und dem Atemgasflow verändert werden kann.
1. A device for active and / or passive lung simulation, comprising:
  • a) at least one gas line ( 4 , 7 ) which has an air connection ( 1 ) at a first end,
  • b) a means ( 2 , 5 , 6 , 16 ) for determining the respiratory gas flow in the gas line ( 4 , 7 ), and
  • c) a volume-variable container ( 11 ) which is finally connected to the second end of the gas line ( 4 , 7 ),
  • d) wherein the volume of the volume-variable container ( 11 ) can be changed by an actuator ( 15 ) depending on at least one predetermined lung parameter and the breathing gas flow.
2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Lungenparameter aus einem oder mehreren der nachstehenden Parameter ausgewählt wird: Resistance, Compliance, Atemzugvolumen, Atemfrequenz oder weitere Parameter nichtlinearer Art.2. The device of claim 1, wherein the predetermined lung parameter is from one or more of the following parameters is selected: resistance, Compliance, tidal volume, respiratory rate or other parameters of a non-linear nature. 3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin eine Elektronikschaltung (25) umfaßt, die den vorgegebenen Lungenparameter- und den Atemgasflowsignal erhält und daraus eine Steuergröße für den Stellantrieb (15) berechnet.3. The apparatus of claim 1 or 2, further comprising an electronic circuit ( 25 ) which receives the predetermined lung parameter and the respiratory gas flow signal and calculates a control variable for the actuator ( 15 ) therefrom. 4. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Mittel (2, 5, 6, 16) zur Bestimmung des Atemgasflows aus einem Strömungssensor (5) und einem Differenzdrucksensor (6) besteht, deren Signale durch eine Elektronikschaltung (25) aufbereitet werden, die eine Steuergröße für das Stellglied (15) des volumenvariablen Behälters (11) erzeugt.4. The device according to one of claims 1-3, wherein the means ( 2 , 5 , 6 , 16 ) for determining the respiratory gas flow consists of a flow sensor ( 5 ) and a differential pressure sensor ( 6 ), the signals of which by an electronic circuit ( 25 ) be prepared, which generates a control variable for the actuator ( 15 ) of the volume-variable container ( 11 ). 5. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Lungenparameter wie Resistance, Compliance, Atemzugvolumen, Atemfrequenz und weitere Parameter durch eine PC-Software oder eine Einstellung an einem Gerät eingestellt werden können, die die Vorrichtung zur Lungensimulation dann elektronisch geregelt einhält. 5. The device according to any one of claims 1-4, wherein the lung parameters as Resistance, compliance, tidal volume, respiratory rate and other parameters a PC software or a setting can be set on a device that the Device for lung simulation then electronically controlled.   6. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Lungenparameter wie Resistance, Compliance, Atemzugvolumen, Atemfrequenz und weitere beliebige nichtlineare Parameter durch elektronisch abgespeicherte Signalkurven vorgegeben sind.6. The device of any of claims 1-5, wherein the lung parameters are like Resistance, compliance, tidal volume, respiratory rate and any other non-linear parameters are specified by electronically stored signal curves. 7. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei mindestens eine Gasleitung (4, 7) aus einem ersten Abschnitt (4) besteht, der an einem ersten Ende mit dem Luftanschluß (1) und an einem zweiten Ende mit dem Mittel (2, 5, 6, 16) zur Bestimmung des Atemgasflows verbunden ist, und aus einen zweiten Abschnitt (7), der zwischen dem Mittel (2, 5, 6, 16) zur Bestimmung des Atemgasflows und dem volumenvariablen Behälter (11) angeordnet ist.7. The device according to any one of claims 1-6, wherein at least one gas line ( 4 , 7 ) consists of a first section ( 4 ) which at a first end with the air connection ( 1 ) and at a second end with the means ( 2 , 5 , 6 , 16 ) for determining the respiratory gas flow, and a second section ( 7 ) which is arranged between the means ( 2 , 5 , 6 , 16 ) for determining the respiratory gas flow and the volume-variable container ( 11 ) . 8. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Elektronikschaltkreis (25) aus einer Meßelektronik (25a), einer Steuerelektronik (25b) und einer Regelelektronik (25c) besteht, die ausgebildet sind, um aus dem vorgegebenen Lungenparameter und dem Atemgasflow einen Soll-Beatmungsdruck in der Gasleitung (4, 7) zu erfassen.8. The device according to any one of claims 1-7, wherein the electronic circuit ( 25 ) consists of measuring electronics ( 25 a), control electronics ( 25 b) and control electronics ( 25 c), which are designed to from the predetermined lung parameter and to record a desired ventilation pressure in the gas line ( 4 , 7 ) for the respiratory gas flow. 9. Die Vorrichtung nach Anspruch 8, die weiterhin einen Beatmungsdrucksensor (2) am zweiten Abschnitt (7) der Gasleitung (4, 7) aufweist, der ausgebildet ist, um einen Ist-Be­ atmungsdruck im zweiten Abschnitt (7) zu erfassen9. The device of claim 8, further comprising a ventilation pressure sensor ( 2 ) on the second section ( 7 ) of the gas line ( 4 , 7 ), which is designed to detect an actual ventilation pressure in the second section ( 7 ) 10. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Veränderung des volumenvariablen Behälters (11) mit einer Volumenverschiebung in Verbindung steht, und wobei das Mittel (2, 5, 6, 16) zur Bestimmung des Atemgasflows einen Sensor (16) zur Bestimmung der Volumenverschiebung unter Einbeziehung des Beatmungsdruckes eines Beatmungsdrucksensors (2) in der Gasleitung (4, 7) und/oder weiterer Meßgrößen umfaßt.10. The device according to one of claims 1-7, wherein the change in the volume-variable container ( 11 ) is connected to a volume shift, and wherein the means ( 2 , 5 , 6 , 16 ) for determining the respiratory gas flow comprises a sensor ( 16 ) for determining the volume shift including the ventilation pressure of a ventilation pressure sensor ( 2 ) in the gas line ( 4 , 7 ) and / or further measured variables. 11. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Veränderung des volumenvariablen Behälters (11) mit einer Volumenverschiebung in Verbindung steht, und wobei das Mittel (2, 5, 6, 16) zur Bestimmung des Atemgasflows einen Beatmungsdrucksensor (2) zur Erfassung eines Beatmungdruckes in der Gasleitung (4, 7) umfaßt.11. The device according to one of claims 1-7, wherein the change in the volume-variable container ( 11 ) is related to a volume shift, and wherein the means ( 2 , 5 , 6 , 16 ) for determining the respiratory gas flow comprises a ventilation pressure sensor ( 2 ) for detecting a ventilation pressure in the gas line ( 4 , 7 ). 12. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronikschaltkreis ausgebildet ist, um weitere Sensoren, insbesondere einen Sauerstoffgehalt- und Atemgastemperatursensor (3), zur Gasbestimmung im Gaskanal (4, 7) auszuwerten.12. The device according to any one of claims 1-11, characterized in that the electronic circuit is designed to evaluate further sensors, in particular an oxygen content and gas temperature sensor ( 3 ), for gas determination in the gas channel ( 4 , 7 ). 13. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der Stellantrieb (15) durch eine Federkraft in expiratorischer Richtung und durch einen Pneumatik-Schubkolben in inspiratorischer Richtung oder umgekehrt oder durch zwei gesteuerte Pneumatik-Schub­ kolben mit einem Druckanschluß ausgebildet ist.13. The device according to any one of claims 1-12, wherein the actuator ( 15 ) is formed by a spring force in the expiratory direction and by a pneumatic thrust piston in the inspiratory direction or vice versa or by two controlled pneumatic thrust pistons with a pressure connection. 14. Verfahren zur aktiven und/oder passiven Lungensimulation, das folgendes umfaßt:
  • a) Bestimmung des Atemgasflows in einer Gasleitung (4, 7) eines Lungensimulators;
  • b) Bestimmung einer Steuergröße in Abhängigkeit von mindestens einem vorgegebenen Lungenparameter und dem Atemgasflow; und
  • c) Veränderung des Volumens eines volumenvariablen Behälters (11), der mit der Gasleitung in Verbindung steht, in Abhängigkeit von der Steuergröße.
14. A method for active and / or passive lung simulation, comprising:
  • a) determination of the respiratory gas flow in a gas line ( 4 , 7 ) of a lung simulator;
  • b) determining a control variable as a function of at least one predetermined lung parameter and the breathing gas flow; and
  • c) Changing the volume of a variable-volume container ( 11 ) which is connected to the gas line, depending on the control variable.
15. Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei der vorgegebene Lungenparameter aus einem oder mehreren der nachstehenden Parameter ausgewählt wird: Resistance, Compliance, Atemzugvolumen, Atemfrequenz oder weitere Parameter nichtlinearer Art.15. The method of claim 14, wherein the predetermined lung parameter is selected from one or more of the following parameters: resistance, Compliance, tidal volume, respiratory rate or other parameters of a non-linear nature. 16. Das Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der vorgegebene Lungenparameter durch elektronisch abgespeicherte Signalkurven vorgegeben ist.16. The method of claim 14 or 15, wherein the predetermined Lung parameters are predetermined by electronically stored signal curves.
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