DE2641289B2

DE2641289B2 - Atmungsmeßgerät zur Druckkorrektur

Info

Publication number: DE2641289B2
Application number: DE2641289A
Authority: DE
Inventors: Roger Paul Charles Bourg La Reine Cavallo; Andre Emmanuel Saint Maur Le Maitre
Original assignee: Synthelabo SA
Current assignee: Synthelabo SA
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1980-08-28
Also published as: DD126535A5; DE2641289C3; GB1555674A; FR2324284B1; JPS5237467A; SE7610356L; US4078554A; FR2324284A1; BE846311A; DE2641289A1; BR7606146A; ES451639A1; CA1080079A; IT1070021B; SE418244B; NL7609862A

Description

Die Erfindung betrifft ein Atmungsmeßgerät zur Druckkorrektur, das insbesondere bei Beatmungsgeräten mit gesteuertem Durchsatz Verwendung finden kann, d.h. bei einem Gerät, das es ermöglicht, einen Patienten künstlich zu beatmen, wobei das Atmungsmeßgerät das Volumen oder den Durchsatz des ausgeatmeten Gases mißt, das als »Strömungsvolumen« bezeichnet wird und im wesentlichen der Atmungskapazität entspricht, die im Nachfolgenden als »wirksame« Kapazität bezeichnet werden soll, da sie der Gasmenge entspricht, die die Lungen effektiv ausatmen können und die, wohlgemerkt, niedriger als die Gesamtkapazität ist, da sich die Lungen nicht jedem Atemzyklus vollständig entleeren, bis sie in sich zusammenfallen.

Wie F i g. 1 zeigt, wird ein herkömmlicher Apparat zur kfinstiichen Beatmung bekanntlich im wesentlichen von einer Y-förmigen Rohrleitung gebildet, von deren Armen der eine mit dem Patienten P in Verbindung steht, während ein zweiter Arm mit einer Quelle für unter Druck stehendes Gas (einer Flasche oder einem Behälter und insbesondere einem Kompressor) über einen Schieber bzw. ein Ventil EVX verbunden ist, das bei den neueren Apparaten im allgemeinen elektrisch betrieben wird, und wobei weiterhin der dritte Arm mit der Umgebungsatmosphäre über ein Ventil EV2 in Verbindung steht, das ebenfalls in den meisten Fällen elektrisch betrieben werden kann und an das sich in machen Fällen ein Atmungsmeßgerät 5 anschließt.

Wenn ein Patient eine künstliche Beatmung benötigt, d. h. wenn man der Meinung ist, daß er teilweise oder vollständig nicht in der Lage ist, selbst seine Atmung durchzuführen, dann muß bekanntlich beim Einatmen (wobei EV2 geschlossen und EVX geöffnet ist) der Patient einem leichten Überdruck relativ zum Atmosphärendruck ausgesetzt werden, wobei dieser Überdruck umso höher sein muß, je schwächer bzw. gefährdeter die richtige Atmung des Patienten ist. Folglich weist das eingeatmete Volumen einen Druck auf, der sich von dem im Außenbereich herrschenden Atmosphärendruck unterscheidet, so daß diese Volumen einer Gasmasse bzw. Gasmenge entspricht, die höher ist, als die Gasmenge desselben Volumens beim Atmosphärendruck. Weiterhin stellt sich beim Ausatmen (wobei EVX geschlossen und EV2 geöffnet ist) der Druck in fortschreitender Weise wieder her, und während die Luft durch das Atmungsmeßgerät hindurch austritt, verändert sich ihr Druck, d. h. der anfängliche Überdruck nimmt ab, bis er gleich Null ist, also daß das Atmungsmeßgerät ein Volumen mißt, das während der Meßdauer unter einem sich verändernden Druck steht.

Eine Vernachlässigung des Einflusses des Überdrucks auf das Volumen kann in dem Fall ins Auge gefaßt werden, in dem dieser Überdruck selbst vernachlässigbar ist, aber im allgemeinen wird man ihn in Rechnung stellen müssen.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem mit Hilfe eines Aufnehmers bzw. Meßfühlers K gelöst, der den Druck in der Y-Rohrleitung mißt, und dessen Informationen in eine Meß- und Recheneinheit M übertragen werden, die in gleicher Weise die vom Spirometer bzw. Atmi.ingsmesser ·? abgegebenen Informationen empfängt und augenblicklich mittels des Spirometers die

erforderlichen Korrekturen vornimmt. Bezeichnet man mit dem Index 0 die Atmosphärenbedingungen und mit dem Index 1 die Bedingungen des maximalen Überdrucks (der ggfs. von einem Ai^iungszyklus zum anderen variieren kann), dann integriert M nicht nur die Volumina, die durch den Atmungsmesser hindurchtreten, sondern diese auf den Atmosphärendruck zui ückgeführten Volumina.

Wie m&A in den beiden weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen sieht, werden zwei Lösungen beschrieben, eine näherungsweise, bei der der Durchsatz integriert wird, um dann mit der Variation des Drucks multipliziert zu werden

-P₀VP₀ JaV

Ja

15

und eine andere, genauere, bei der der in jedem Augenblick auf den Atmosphärendruck bezogene bzw. zurückgeführte Durchsatz integriert wird

P/Po ■ d K,

wobei fder momentan vom Aufnehmer bzw. Meßfühler K gemessene Druck ist, und das augenblickliche bzw. momentane Elementarvolumen dVbzw. der momentane Durchsatz dV7df von 5 gemessen werden. Im ju vorliegenden Fall wendet man das Mariottesche Gesetz an, das für die idealen Gase und für die realen Gase bei geringen Druckvariationen gültig ist, was bei der Atmungsmessung der häufigste Fall ist, doch kann man in Sonderfällen, d. h., wenn die Druckvariationen sehr ,-, groß sind, integrieren, indem man jedes andere geeignete Gesetz verwendet. Das ist z. B. möglich, wenn man in einer Druckkammer Taucher wiederbelebt, die in großer Tiefe verunglückt sind.

In gleicher Weise muß man der Tatsache Rechnung tragen, daß bei den modernen Geräten nicht nur beim Einatmen mit Überdruck, sondern in gleicher Weise beim Ausatmen mit Unterdruck (Index 2) gearbeitet wird; in der Meß- und Recheneinheit M integriert man dann .»-,

(P₁ - P₂VP₀ ■ ja V oder J P/P, ■ d V.

Man kann auch Korrekturen anbringen, wenn der Atmungsmesser selbst einen Druckverlust verursacht, der die zeitlichen Druckveränderungen abschwächt bzw. dämpft.

Darüber hinaus sei daran erinnert, daß das Volumen ■-,·-, dei Rohrleitungen selbst nicht im allgemeinen vernachlässigbar ist und daß man es in Rechnung stellen muß, da die Information, die für den Arzt von Bedeutung ist, die durch die Lungen hindurchgehende Gasmenge ist. Diese Information würde ohne Korrekturen unmittelbar am wi Mund des Kranken zur Verfugung stehen, wenn man dort den Durchsatz und den Druck messen würde, doch ist diese Anordnung der Meßfühler nicht günstig da es wegen der Kondensation von Wasserdampf oder wegen Ausscheidungen des Patienten zu Verunreinigungen _b-, kommt, die die Messungen verfälschen. Das ist der Grund, warum man zur Zeit die Meßfühler und insbesondere den für den Durchsatz lieber genügend weit vom Mund des Kranken entfernt anordnet, so daß sich für die Rohrleitung eine Vergrößerung der Länge und des Volumens ergibt, die in Rechnung gestellt werden muß.

Es ist demgemäß erforderlich, das unter Atmosphärendruck stehende Volumen abzuziehen, das der Gasmenge entspricht die ihrerseits dem Unterschied zwischen den in den Rohrleitungen bei den Drücken P1 und PO enthaltenen Volumina entspricht.

Bisher wurde versucht, zu einer Lösung einiger dieser Probleme mit Hilfe verschiedener Techniken zu gelangen, ohne daß jemals vollständig befriedigende Ergebnisse erzielt wurden. Als Beispiele seien hier die folgenden Patentschriften angeführt:

Die US-PS 30 06 336, nach der man versucht, den Druckverlust im Atmungsmesser, der die Ausatmung des Patienten behindert, mit Hilfe eines Kolbens 33 auszugleichen, der so gesteuert wird, daß er den Druck in der Kammer 30 des Atmungsmessers konstant hält.

Im übrigen ist eine große Zahl von Geräten bekannt, die dazu dienen, die Volumina oder die Volumendurchsätze unter einer Korrektur des Druckes zu messen und die eine Druckkorrektur durch Anwendung des Mariotteschen Gesetzes verwenden, und insbesondere die US-PS 37 59 249 und die US-PS 37 99 149 betreffen jeweils eine Vorrichtung zur Atmungsanalyse mit einem Massenspektrometer und einem Stoffwechselanalysator, bei denen ein Rechner eine Druckkorrektur unter Anwendung des Mariotteschen Gesetzes einführt.

Auch ist es aus der US-PS 34 14 896 bekannt, den Druck zu steuern und zu messen.

Tatsächlich arbeiten nahezu alle bekannten Apparate mit einer näherungsweisen Messung des Drucks und tragen den während ein und desselben Atemzyklus häufig sehr erheblichen Änderungen dieses Drucks keinerlei Rechnung.

Dank der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Messung wesentlich genauer, indem der maximale Druck und der minimale Druck ebenso in Rechnung gestellt werden, wie die Über- bzw. Unterdrücke, die im Lauf eines Aiemzyklus auftreten.

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Lösung äußerst einfach und bietet im Vergleich zu anderen Lösungen, wie z. B. der mechanischen Lösung der US-PS 30 06 336 die allgemein bekannten Vorteile eines elektronischen Aufbaus.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

F i g. 1 eine Anordnung, auf die oben bereits anläßlich des Standes der Technik als auch anläßlich der Erfindung Bezug genommen wurde,

Fig. 2 eine Variante des Prinzipschemas der Meß- und Recheneinheit Maus Fig. 1,

Fig.3 ein Blockdiagramm zur Realisierung der Variante aus F i g. 2, und

Fig.4 eine weitere Variante des Prinzipschemas der Meß- und Recheneinheit Maus Fig. 1.

In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. In den Figuren ist jeweils ein Ausatmen mit Unterdruck angenommen. Hat man keinen Unterdruck, so genügt es, die Indices 2 durch die Indices 0 zu ersetzen.

Der Durchsatzmesser bzw. -zähler 5 (Fig. 1 und 2) überträgt auf die Einheit M während der Ausatmungszeiträume eines jeden Zyklus die Durchsatzinformation nach 1, z. B. indem er eine Impulszahl abgibt, die der Durchströmgeschwindißkeit im Meßwertgeber und somit dem Durchsatz proportional ist. Dies kann z. B.

mit Hilfe eines kapazitiven Meßwertgebers mit einer Turbine erreicht werden.

Die in 2 hinsichtlich der Zeit für jeden Zyklus erfolgende Integration ergibt das Volumen, das als »Strömungsvolumen« bezeichne: wird; die bei 3 für jede Minute erfolgende Integration ergibt das als »Minutenvolumen« bezeichnete Volumen. Diese Informationen entsprechen dem vom Beatmungsgerät durchgesetzten Gesamtvolumen (bei variablem Druck im Verlauf eines Zyklus).

Wenn die Kapazität bzw. das Fassungsvermögen der Rohrleitungen C₀ ist, das den Druck P aufweist, dann zirkuliert im Durchsatzmesser bzw. Durchsatzmeßwertgeber zusätzlich zum Atmungsvolumen ein Volumen C=C₀PfZP₀-C₀, d.h. AC = C₀(P,-P₀)/P₀, wenn kein Unterdruck beim Ausalmen herrscht, und ,4 C=^CoPi- C₀P₂)ZP₀, d. h. Δ C= C₀(P, — P₂)ZP₀ im entgegengesetzten Fall.

(Das Volumen C₀ des Gases in den Rohrleitungen ist tatsächlich C₀ ■ PZP₀, wenn man vom Druck P zum Druck P₀ übergeht).

Der Druck-Meßwertgeber K überträgt bei 4 der Einheit Meinen Druckmeßwert, dessen Maximalwert P\ bei 5 und dessen Minimalwert (P₀ oder P₂ je nachdem, ob man einen Unterdruck hat oder nicht) bei 6 ermittelt werden, und deren Unterschied bei 7 gebildet wird.

Diese Variation des Drucks wird zu den Korrekturvorrichtungen 8 und 9 übertragen, die jeweils von 3 und 2 das »Minutenvolumen« und das »Strömungsvolumen« empfangen und ein korrigiertes »Minutenvolumen« und ein korrigiertes »Strömungsvolumen« abgeben, bei denen den Druckänderungen und der Korrekturgröße A C Rechnung getragen ist. Die Anzeige erfolgt jeweils bei 10 und 11.

Diese Vorrichtung wurde als Beispiel vereinfacht, da sie nicht die Integration

P: P₀ ■ d V.
sondern die Integration

(P₁ - P₂)P₀ JdV=(P₁- P₂)IP₀ ■ V\

durchführt wobei V] das Volumen darstellt, das durch den Meßwertgeber zwischen 1 und 2 hindurchgeht, d. h. während der Ausatemzeit. Überträgt man jedoch im Gegensatz hierzu wie in F i g. 4 den momentanen Druck P von 4 auf ein Momentan-Korrekturglied 12 vor den Integratoren 2 und 3 so wird die Integration so durchgeführt, wie es oben angegeben ist und die Integrationsrechner 2 und 3 liefern

P/Po-dV:

die Korrekturglieder 8 und 9 fügen in diesem Fall lediglich die sich auf Δ Cbeziehende Korrektur hinzu.

Man sieht anhand der F i g. 3, wie eine Schaltung die diese Operationen ausführt, realisiert werden kann. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß, wenn man die Korrektur AC für das »Strömungsvolumen« anbringt, man die Korrektur πAC für das »Minutenvolumen« anbringen muß, wobei η die Zahl der Atmungszykler pro Minute ist. Die Messung von η ist in der schematischen F i g. 2 und 4 nicht dargestellt, doch wire in der F i g. 3 hierfür ein Ausführungsbeispiel gegeben.

Tat'ächürh ist eine Vielzahl von Lösungen möglich: r ist die Zahl der Druckzyklen und kann folglich entweder bei K (Anzahl der Fälle, in denen P=P₀ ist, wenn kein Unterdruck herrscht, oder die Hälfte der Fälle, in denen P= Po bzw. P₂ minimal ist) oder bei S gezählt werden

ίο wobei hier die Häufigkeit festzustellen ist, mit der der Durchsatz Null wird (Einatmung), wobei diese Lösung den Vorteil hat, daß sie leicht realisiert werden kann Man kann auch die Schließ- oder Öffnungsvorgänge von EVX oder EV2 zählen; oder man kann den Quotienten

is aus dem »Minutenvolumen« und dem »Strömungsvolumen« bilden, usw.

Die F i g. 3 gibt ein Ausführungsbeispiel für das Prinzipschema aus F i g. 2 wieder.
Was die F i g. 4 anbelangt, so ist der größte Teil der Schaltungselemente identisch und eine Übertragung ist für den Fachmann ohne weiteres möglich. Der Atmungsmesser wird von einer Turbine 20 gebildet, au! die ein kapazitiver Meßwertgeber 21 und ein Spannungsvergleicher 22 folgen. In der Figur ist die Form der übertragenen Signale in schematischer Weise wiedergegeben.

Die Vergleichsschaltung 22 steuert einerseits einen monostabilen Multivibrator 23 für Impulse mit konstanter Größe und andererseits einen Anhaltedetektor 24

jo mit einer ÄC-Schaltung zur Erzeugung von Impulsen, die zur Rückstellung auf Null dienen. Die Signale des monostabilen Multivibrators 23 werden einerseits dem über eine Minute hinweg integrierenden, einen RC-Kreis umfassenden Oberflächenintegrator 25 zugeführt,

r, auf den ein Gleichstromverstärker 26 folgt, der demgemäß ein dem »Minutenvolumen« proportionales Analogsignal abgibt. Die Signale des monostabilen Multivibrators 23 werden andererseits dem über einen Atemzyklus hinweg integrierenden, einen RC- Kreis umfassenden Oberflächenintegrator 27 zugeführt auf den in gleicher Weise ein Gleichstromverstärker 28 folgt der ein dem »Strömungsvoiumen« proportionales Analogsignal abgibt. Der über einen Zyklus hinweg integrierende Integrator 27 wird in gleicher Weise vom 5 Detektor 24 angesteuert der den Integrator 27 für jeden Atmungszyklus auf Null zurücksetzt und den monostabilen Multivibrator 29 für Impulse mit konstanter Größe auslöst bzw. triggert, auf den ein über eine Minute hinweg integrierender Oberflächenintegrator 30 folgt der demgemäß ein Signal abgibt das der Atmungshäufigkeit pro Minute η proportional ist

Im übrigen folgt auf den analogen Meßwertgeber für den Druck K ein Gleichstromverstärker 31, auf den ein Filter 32 zum Abtrennen der Spitzen P\ und parallel hierzu ein Filter 33 zum Abtrennen der Täler (oder negativen Spitzen) P₂ (oder Po) folgen.

P2 wird bei 34 invertiert, was es einerseits ermöglicht im Verstärker 35 aus den von 32 und 34 abgegebenen Signalen den Ausdruck Pt-P₂ zu addieren und andererseits im Verstärker 36 aus den von 30 abgegebenen Signalen den Ausdruck n(P\—Pi) zu bilden,- die Verstärker 35 und 36 geben also Analogsignale ab, die zu AC\ bzw. AC\ mm proportional sind. Man regelt jeweils mit Hilfe der Potentiometer 37 und 38 die von den Additionsverstärkern 35 und 36 abgegebenen Signale, um dem tatsächlichen Volumen der Rohrleitungen Rechnung zu tragen, das offensichtlich je nach den Anwendungsbedingungen variieren

kann. Die Gleichstromverstärker 39 und 40 empfangen also jeweils Analogsignale, die AC] und AQ _mn entsprechen und von 37 und 38 stammen, und Analogsignale, die Vf und V, _mn entsprechen und von 28 und 26 stammen. Sie korrigieren die Volumina und liefern korrigierte Volumensignale Vt — AC] und Vi _m„—AQ _mn. Auf die Verstärker 39 und 40 folgen jeweils die Ausgangsverstärker 41 und 42; die Anzeige kann mit Hilfe irgendwelcher geeigneter Vorrichtungen vorgenommen werden, sei es durch analoge Anzeigegeräte, wie z.B. geeichte bzw. mit einer Gradteilung versehene Galvanometer 43 und 44 oder durch numerische Anzeigegeräte, wie z. B. Nixiröhren.

Es sei darauf hingewiesen, daß im Blockdiagramm der Fig.3 der Einfachheit halber nur die Korrektur AC dargestellt wurde, da in der Mehrzahl der Fälle die Korrektur Ap im Vergleich zu A Cvernachlässigbar ist.

Erfindungsgemäß können die oben beschriebenen

Vorrichtungen nicht nur für Beatmungsgeräte, sondern insbesondere auch auf andere Geräte angewendet werden, die einen Gasdurchsatz erzeugen und bei denen es wünschenswert ist, den Effekt der Druckabnahme in den Rohrleitungen zu kompensieren.

Die Erfindung schafft also ein auf das Atmungs-Rohrleitungssystem eines Patienten verzweigtes Atmungsmeßgerät, das einen im Ausatmungszweig angeordneten System-Durchsatzmeßwertgeber umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die von einem im Rohrleitungssystem angeordneten Druck-Meßwertgeber abgegebenen Signale und die vom Durchsatz-Meßwertgeber abgegebenen Signale einer Rechen- und Meß-Gruppe zugeführt werden, die die Durchsatzsigna-Ie integriert, und diese in Abhängigkeit von den Druckänderungen und/oder den Fehlern, die von dem in dem Rohrleitungssystem enthaltenen Gas herrühren, korrigiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Atmungsgerät, das mit dem Atmungs-Rohrleitungssystem eines Patienten verbunden ist und einen im Ausatmungszweig angeordneten System-Durchsatz-Meßwertgeber umfaßt, wobei die von einem in dem Rohrleitungssystem angeordneten Druck-Meßwertgeber abgegebenen und die vom Durchsatz-Meßwertgeber abgegebenen Signale einer Rechen- und Meß-Einheit zugeführt werden, die die Durchsatzsignale integriert und in Abhängigkeit von den Druckvertnderungen korrigiert, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druck-Meßwertgeber zwei parallele den maximalen Druck und den minimalen Druck aufnehmende bzw. messende Schaltkreise und eine erste Substraktions-Vorrichtung nachgeschaltet sind, die ein zur Differenz der Extremaldrücke proportionales Analogsignal abgibt. :o

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Subtraktionsvorrichtung von dem im Integrator für das Durchsatzsignal erhaltenen Analogsignal für das Volumen das der Differenz der Extremaldrücke proportionale Analogsignal abzieht und auf diese Weise die Messung in Abhängigkeit von dem überschüssigen Gasvolumen korrigiert, das der Volumendifferenz des in den Rohrleitungen bei den Extremaldrücken enthaltenen Gases entspricht, wenn dieses Gas auf den jo Atmosphärendruck zurückgeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Subtraktionsvorrichtung von einem auf die erste der parallelen Schaltungen folgenden Inverter und einem Addierer gebildet r> wird, bei dem die beiden Schaltungen zusammengeführt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Subtraktionsvorrichtung eine Potentiometeranordnung ein- 4<> geschaltet ist, die eine Regelung bzw. Justierung des Druckdifferenz-Signals ermöglicht, so daß dieses zum Volumen der verwendeten Rohrleitungen proportional gemacht werden kann.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, <r> dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Integratoren, von denen der eine über eine vorgegebene Zeitdauer und der andere über einen Atmungszyklus hinweg integriert, zueinander parallel angeordnet sind, daß der letztere der beiden Integratoren von v> einem Detektor auf Null zurückgesetzt wird, der das vom Durchsatz-Meßwertgeber abgegebene Signal empfängt daß auf die beiden Integratoren zwei zweite Subtraktoren folgen, die das Signal der Änderung des Gasvolumens des Rohrleitungssy- τι stems empfangen, und daß dieses Signal für den das Volumenmaß für eine vorgegebene Zeitdauer abgebenden Schaltkreis vorher durch einen Multiplikator hindurchgeht, der das Differenzsignal der Extremaldrücke mit der Zahl der Zyklen während w> dieser vorgegebenen Zeitdauer multipliziert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Zyklen während der vorgegebenen Zeitdauer von einer Zählvorrichtung für die von dem Detektor abgegebenen, zur e» Rückstellung auf Null dienenden Impulse abgegeben wird.

7. Anwendung einer Vorrichtung nach einem der

vorhergehenden Ansprüche bei einem Gerät zur künstlichen Beatmung.