DE2641289C3

DE2641289C3 - Atmungsmeßgerät zur Druckkorrektur

Info

Publication number: DE2641289C3
Application number: DE2641289A
Authority: DE
Inventors: Roger Paul Charles Bourg La Reine Cavallo
Original assignee: Synthelabo SA
Current assignee: Synthelabo SA
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1981-08-27
Also published as: CA1080079A; FR2324284A1; JPS5237467A; GB1555674A; US4078554A; FR2324284B1; SE418244B; BR7606146A; SE7610356L; DE2641289B2; NL7609862A; BE846311A; DE2641289A1; DD126535A5; ES451639A1; IT1070021B

Description

Die Erfindung betrifft ein Atmungsmeßgerät zur Druckkorrektur, das insbesondere bei Beatmungsgeräten mit gesteuertem Durchsatz Verwendung finden

to 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 künstlichen 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 EV 2 in Verbindung steht, das ebenfalls in den meisten Fällen elektrisch betrieben werden kann und an das sich in machen Fällen ein Atmungsmeßgerät S 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 ieichten 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 EV 2 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 vernachlässigte bar 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. A nungsmesser S 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 Atmungszyklus zum anderen variieren kann), dann integriert M nicht nur die Volumina, die durch den Atmungsmesser hindurchtreten, sondern diese auf den Atmosphärendruck zurückgeführten Volumina.

Wie man 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

dV,

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

P/Po ■ ά V,

wobei Pder momentan vom Aufnehmer bzw. Meßfühler K gemessene Druck ist, und das augenblickliche bzw. momentane Elementarvolumen dKbzw. der momentane Durchsatz dV7dr von S gemessen werden. Im vorliegenden Fall wendet man das Mariottesche Gesetz an, das für die idealen Gase und für die realen Gase bii 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 Weice 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

l 2

(P₁ - P₂)IP₀ ■ fa V oder J PfP₁ ■ 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 der 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 Mund des Kranken zur Verfügung stehen, wenn man dort den Durchsatz und den Druck messen würde, doch ist diese Anordnung der Meßfühler nicht günstig, da es wegen der Kondensation voft Wasserdampf oder wegen Ausscheidungen des Patienten zu Verunreinigungen kommt, die die Messungen verfälschen. Das ist der Grund, warum man inr Zeit die Meßfühler und insbesondere den für den Durchsatz Heber 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

ίο 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:

is 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 Atemzyklus 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,

F i g. 2 eine Variante des Prinzipschemas der Meß- und Recheneinheit Maus F i g. 1,
F i g. 3 ein Blockdiagramm zur Realisierung der Variante aus F i g. 2, und

F i g. 4 eine weitere Variante des Prinzipschemas der Meß- und Recheneinheit Maus F i g. 1.

In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. In

bo 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 S (F i g. 1 und 2) überträgt auf die Einheit M während der Ausatmungs-Zeiträume eines jeden Zyklus die Durchsatzinformation nach 1, z.B. indem er eine Impulszahl abgibt, die der Durchströmgeschwindigkeit 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« bezeichnet 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). ίο

Wenn die Kapazität bzw. das Fassungsvermögen der Rohrleitungen Co ist, das den Druck P aufweist, dann zirkuliert im Durchsatzmesser bzw. Durchsatzmeßwertgeber zusätzlich zum Atmungsvolumen ein Volumen C=CPi/Po-Co, d-h. AC = C₀(Pi-PoVPo, wenn kein Unterdruck beim Ausatmen herrscht, und AC=(CoPi-CoPiVPo, d.h. AC= C₀(Pi — P₂)IPo im entgegengesetzten Fall.

(Das Volumen C₀ des Gases in den Rohrleitungen ist tatsächlich Co · P/Po, wenn man vom Druck P zum Druck Po übergeht).

Der Druck-Meßwertgeber K überträgt bei 4 der Einheit Afeinen Druckmeßwert, dessen Maximalwert P\ bei 5 und dessen Minimalwert (Po 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 Δ C Rechnung getragen ist. Die Anzeige erfolgt jeweils bei 10 und 11.

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

P/Po ■ d V,

sondern die Integration

(P₁ - P₂)IP₀ JaV = (P₁ - P₂)ZP₀

durchführt, wobei V] das Volumen darstellt, das durch den Meßwertgeber zwischen 1 und 2 hindurchgeht, d. h. während der Ausatemzeit Oberträgt man jedoch im Gegensatz hierzu wie in F i g. 4 den momentanen Druck P von 4 auf ein Möfnciiiaii-KürrekUifguca 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 d V:

55

60

die Korrekturglieder 8 und 9 fügen in diesem FaU lediglich die sich auf A 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 Δ C für das »Strömungsvolumen« anbringt, man die Korrektur πAC für das »Minutenvolumen« anbringen muß, wobei η die Zahl der Atmungszyklen pro Minute ist. Die Messung von η ist in den schematischen F i g. 2 und 4 nicht dargestellt, doch wird in der F i g. 3 hierfür ein Ausführungsbeispiel gegeben.

Tatsächlich ist eine Vielzahl von Lösungen möglich: η ist die Zahl der Druckzyklen und kann folglich entweder bei K (Anzahl der Fälle, in denen P= Po ist, wenn kein Unterdruck herrscht, oder die Hälfte der Fälle, in denen P= Po bzw. P2 minimal ist) oder bei 5 gezählt werden, 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 EVi oder EV2 zählen; oder man kann den Quotienten aus dem »Minutenvolumen« und dem »Strömungsvolumen« bilden, usw.

Die Fig.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, auf 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 mit einer AC-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, auf den ein Gleichstromverstärker 26 folgt, der demgemäß ein dem »Minutenvolumen« proportionales Analogsignal abgibt Die Signale des monostabilen Multivibrators 23 werden andererseits dem Ober einen Atemzyklus hinweg integrierenden, einen RC- Kreis umfassenden Oberflächenintegrator 27 zugeführt, auf den in gleicher Weise ein Gleichstromverstärker 28 folgt, der ein dem »Strömungsvolunien« proportionales Analogsignal abgibt Der über einen Zyklus hinweg integrierende Integrator 27 wird in gleicher Weise vom 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

!■Ti übrigen folgi auf den analogen Meßwertgeber für den Druck K ein Gleichstromverstärker 31, auf den ein Filter 32 zum Abtrennen der Spitzen Pi und parallel hierzu ein Filter 33 zum Abtrennen der Täler (oder negativen Spitzen) P₂ (oder P₀) folgen.

P2 wird bei 34 invertiert, was es einerseits ermöglicht, im Verstärker 35 aus den von 32 und 34 abgegebenen Signalen den Ausdruck Pi—P₂ zu addieren und andererseits im Verstärker 36 aus den von 30 abgegebenen Signalen den Ausdruck 0(Pt-P₂) zu bilden; die Verstärker 35 und 36 geben also Analogsignale ab, die zu AC} bzw. AC\ mh. 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 AC\_mn entsprechen und von 37 und 38 stammen, und Analogsignale, die Vt und Vi _mn entsprechen und von 28 und 26 stammen. Sie korrigieren die Volumina und liefern korrigierte Volumensignale Vi -AC] und Vi _mn—AQ _m„. 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-MeBwertgeber 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 A tmungs-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 Druckveränderungen 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

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 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 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 eingeschaltet 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, 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 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 Rohrleitungssystems 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 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 Rückstellung auf Null dienenden Impulse abgegeben wird.

7. Anwendung einer Vorrichtung nach einem der

vorhergehenden Ansprüche bei einem Gerät zur künstlichen Beatmung.