DE10107917A1

DE10107917A1 - Anordnung zur verbrauchsarmen Applikation gasförmiger Stoffe

Info

Publication number: DE10107917A1
Application number: DE2001107917
Authority: DE
Inventors: Tilo Winkler; Marcelo Gama De Abreu; Detlev Michael Albrecht
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: DE10107917C2

Abstract

Eine verbrauchsarme Applikation gasförmiger Stoffe ist bislang nur mit Anästhesiebeatmungsgeräten möglich, die gegenüber Intensivbeatmungsgeräten nur einfache Beatmungsmuster zur Verfügung stellen und für die Langzeitbeatmung ebenso wie für die Spontanatmung ungeeignet sind. Außerdem können die Stoffe aufgrund ungeheizter Schlauch- und Kreissysteme nur mit Konzentrationen appliziert werden, deren Taupunkt unter 21 DEG C liegt. DOLLAR A Um eine verbrauchsarme Applikation gasförmiger Stoffe zu realisieren, die bei 21 DEG C im flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand existieren und als Bestandteil eines Gasgemischs appliziert werden, wird das Gasgemisch bei der Ausatmung durch einen Hohlraum (4) geleitet. Die darin verbleibende Menge des applizierten Stoffes gelangt bei der nächsten Einatmung wieder zum Patienten. Die Konzentration der bei 21 DEG C flüssigen Stoffe ist durch eine Temperaturregelung bei der Verdunstung steuerbar. DOLLAR A Die Anordnung eignet sich zur Applikation von Stoffen bei maschineller Beatmung oder Spontanatmung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur verbrauchsarmen Applikation gasförmiger Stoffe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Applikation von gasförmigen und flüssigen Stoffen bei maschineller Beatmung werden bisher Verdampfer, Vernebler und Verdunster eingesetzt.

Verdampfer, wie sie bei Anästhesiebeatmungsgeräten für die Inhalationsnarkose eingesetzt werden, dienen dazu, dem reinen Sauerstoff oder einem Gasgemisch, das den für die Atmung erforderlichen Sauerstoff enthält, ein Anästhetikum beizumischen. In einer Kammer des Ver dampfers bildet sich über dem in flüssiger Form eingefüllten Anästhetikum eine Gasphase, deren maximaler Partialdruck der Sättigung des Gasgemischs entspricht. Die Konzentration des Anästhetikums im Gasgemisch, das die Lungen des Patienten erreicht, wird durch eine verstellbare Aufteilung des Atemgasstroms gesteuert, so dass der applizierte Partialdruck deutlich unter dem der gesättigten Gasphase liegt.

Vernebler, wie sie in der Intensivmedizin zur Verabreichung flüssiger Medikamente eingesetzt werden, dienen der Erzeugung eines Aerosols im Atemgasgemisch, das dann inhaliert wird.

Verdunster, wie sie in der Intensivmedizin zur Befeuchtung der Atemgase bei der maschinellen Beatmung eingesetzt werden, dienen der Anwärmung des inspiratorischen Gasgemischs und dessen Sättigung mit Wasserdampf. Zu diesem Zweck wird eine mit Wasser befüllte Kammer beheizt und das Atemgasgemisch bei der Inspiration über die Oberfläche des Wassers geleitet.

Bei der Applikation gasförmiger Stoffe ist deren Verbrauch vom Typ des Applikationssystems und dessen Einstellung abhängig:
Halboffene Systeme kommen fast nur noch bei Intensivbeatmungsgeräten zum Einsatz. Bei einem derartigen System wird das Gasgemisch, das während der Exspiration vom Patienten ausgeatmet wird, über einen Schlauch und das Exspirationsventil abgeleitet und nicht wieder verwendet.

Halbgeschlossene und geschlossene Systeme werden demgegenüber bei Anästhesiebeatmungs geräten eingesetzt und stellen ein Kreissystem mit teilweiser bis vollständiger Wiederverwendung des ausgeatmeten Gasgemischs dar. Sie beruhen auf dem Prinzip, dass der Atemstrom während der Exspiration zusammen mit dem Frischgasstrom in einen Gummibeutel oder Gummibalg geleitet wird. Dieser flexible Hohlraum kann konstruktiv so angeordnet sein, dass er direkt bei der nachfolgenden Inspiration entleert wird oder die Funktion eines Pufferspeichers hat. Die bei der Wiederverwendung des Gasgemischs erforderliche Elimination des Kohlendioxids wird durch die chemische Reaktion zwischen Kohlendioxid und Kalk realisiert, die in einer mit "Atemkalk" gefüllten Kammer des Kreissystems beim Hindurchströmen des Gasgemischs abläuft.

Gegenüber halboffenen Systemen haben halbgeschlossene und geschlossene Systeme den Vorteil, dass der Verbrauch an Anästhetika aufgrund der Rückführung bzw. Wiederverwendung des ausgeatmeten Gasgemischs erheblich reduziert werden kann. Als Nachteil erweist sich, dass ein konstanter Frischgasstrom direkt oder gepuffert - in der Beatmungstechnik wird diese Form als entkoppelt bezeichnet - eingespeist wird und für die Beatmung ein zweiter unabhängiger Antrieb erforderlich ist.

Aus der Druckschrift DE 198 23 606 A1 ist die Anwendung von Perfluorhexan CF₃(CF₂)₄CF₃, einem linearen mit Fluoratomen gesättigten Molekül, als Bestandteil des Atemgasgemischs zur Therapie des Lungenversagens bekannt.

Über Perfluorcarbone ist bekannt, dass sie zu einer Stoffgruppe gehören, die mit den Kohlen wasserstoffen verwandt ist. Im Gegensatz zu diesen sind in den Molekülen, die Ketten-, Ring- oder komplexere Strukturen haben können, die Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt. Die physikalischen Eigenschaften variieren mit der Struktur der Moleküle, aber vor allem mit der Anzahl der Kohlenstoffatome.

Über den maximalen Dampfdruck eines Stoffes über dessen flüssiger Phase bei einer Temperatur unterhalb seines Siedepunkts ist bekannt, dass er temperaturabhängig ist und in guter Näherung mit der Formel

P = 10^A-(B/(T+C))

[P = Dampfdruck (bar), T = Temperatur (K)]
berechnet werden kann. Die stoffspezifischen Parameter A, B und C stehen in der Literatur zur Verfügung.

Die Applikation von Perfluorhexan mit Hilfe von Verdampfern an einem Anästhesiebeatmungs gerät (Druckschrift DE 198 23 606 A1 und Bleyl JU, Ragaller M, Tschö U et al.: Vaporised perfluorocarbon improves oxygenation and pulmonary function in an ovine model of acute respiratory distress syndrome. Anesthesiology 91(1999): 461-9) hat den Nachteil, dass der maximale Partialdruck von Perfluorhexan durch die Raumtemperatur bestimmt wird, da die Verdampfer und das Kreissystem nicht auf Körpertemperatur geheizt sind. Für eine Anwendung von Perfluorhexan bei der Beatmung von Intensivpatienten wäre außerdem der Einsatz von Intensivbeatmungsgeräten vorteilhaft.

Die Aufgabe der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung besteht darin, die Applikation gasförmiger Stoffe so zu verbessern, dass für den zu applizierenden Stoff der Verbrauch minimiert wird, ein Partialdruck erreicht werden kann, der dem bei Körpertemperatur maximalen Partialdruck des gesättigten Gasgemischs entspricht, die Konzentration möglichst einfach steuerbar ist und die Verwendung von Intensivbeatmungsgeräten ermöglicht wird. Außerdem soll ein einfaches Applikationssystem zur Verfügung stehen, dass zur Sicherung des Lebens des Patienten keine zusätzlichen aktiven Komponenten erfordert.

Die Aufgabe wird durch die in Verbindung mit den im Oberbegriff des Patentanspruch 1 genannten Merkmale dadurch gelöst, dass die Elimination des applizierten Stoffes durch ein zwischen Patient und Beatmungsgerät befindliches Applikationssystem, dessen Volumen sich nicht ändert, reduziert wird, indem das Gasgemisch bei der Ausatmung durch einen Hohlraum geleitet wird, worin der applizierte Stoff in einer Menge, die vom Verhältnis zwischen Hohlraumvolumen und Atemzugvolumen abhängt, verbleibt und bei der nachfolgenden Einatmung aufgrund der umgekehrten Strömungsrichtung wieder in die Lungen des Patienten gelangt.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch das im Patentanspruch 2 angegebene Verhältnis V_H < V_T zwischen dem Hohlraumvolumen V_H und dem Atemzugvolumen V_T erreicht, da der Verbrauch der applizierten Substanz unter dieser Bedingung auf ein Minimum reduziert werden kann.

Die im Patentanspruch 3 angegebene Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass die Elimination des applizierten Stoffes mit einem möglichst kleinen Hohlraumvolumen nahezu auf null reduziert wird.

Die im Patentanspruch 4 angegebene Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass der Verbrauch von Substanzen reduziert werden kann, die bei Raumtemperatur in flüssiger Form existieren. Diese lassen sich innerhalb des Applikationssystems verdunsten, da sich über der flüssigen Phase eine Gasphase als Bestandteil des Gasgemischs bildet, das appliziert werden soll, ohne dass es bei der nächsten Ausatmung verloren geht. Besonders vorteilhaft ist dies bei den im Patentanspruch 5 genannten Substanzen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Sie ermöglicht eine einfache Steuerung der Konzentration der zu applizierenden Substanz, durch eine Regelung der Temperatur bei der Verdunstung innerhalb des Applikationssystems.

Die im Patentanspruch 7 angegebene Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass der Verbrauch von Substanzen reduziert werden kann, die bei Raumtemperatur im gasförmigen Zustand existieren. Dazu werden diese dem Applikationssystems nicht über das Inspirationsventil des Beatmungsgeräts sondern direkt zugeführt. Auf diese Weise wird innerhalb des Applikationssystems eine höhere Konzentration als am Inspirationsventil erreicht und der Verlust über das Exspirationsventil des Beatmungsgeräts minimiert. Besonders vorteilhaft ist dies bei den im Patentanspruch 8 genannten Substanzen.

Die insgesamt mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine ver brauchsarme Applikation gasförmiger Stoffe mit intensivmedizinischen Beatmungsgeräten möglich ist. Gegenüber den bisher bekannten Applikationsformen ergeben sich aus der Reduktion des Verbrauchs ökonomische und ökologische Vorteile, deren Bedeutung vor allem von der applizierten Substanz abhängt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Fig. 1 dargestellt. Das Beatmungsgerät 1 ist durch zwei Schläuche, die der Zuführung 2 und der Ableitung 3 der Atemgasgemischs dienen, mit einem Hohlraum 4, dessen Volumen sich nicht ändert, verbunden, der vom Atemgasgemisch bei der Inspiration und bei der Exspiration in jeweils entgegengesetzter Richtung durchströmt wird und beispielsweise die Form eines Rohres oder Schlauches haben kann.

Ist das Hohlraumvolumen V_H größer als das Atemzugvolumen V_T, so wird es während der Exspiration mit dem vom Patienten 12 über den exspiratorischen Schenkel 10 des Applika tionssystems mit Ventil 5 zum Hohlraum 4 gelangenden Gasgemisch gefüllt, ohne dass ein wesentlicher Teil dieses Gasgemischs über den Exspirationsschenkel 3 des Beatmungsgeräts 1 verloren geht. Bei der nachfolgenden Inspiration wird das im Hohlraum 4 befindliche Gasgemisch durch das vom Beatmungsgerät 1 über den Inspirationsschenkel 2 kommende verdrängt, so dass es über den inspiratorischen Schenkel 9 des Applikationssystems mit Ventil 6 durch den CO₂- Absorber 7 und den Verdunster oder Injektor 8 wieder zum Patienten 12 gelangt.

Der CO₂-Absorber 7 besteht aus einer mit Atemkalk gefüllten Kammer, in der das CO₂ durch eine chemische Reaktion an den Kalk gebunden wird.

Der zu applizierende Stoff wird durch einen Verdunster oder einen Injektor 8 in das Gasgemisch innerhalb des Applikationssystems eingebracht. Der wesentliche Unterschied besteht im Aggregatzustand des Stoffes bei Zimmertemperatur: für flüssige Stoffe ist ein Verdunster und für gasförmige ein Injektor erforderlich. Außerdem läßt sich bei flüssigen Stoffen durch eine Temperaturregelung im Verdunster 8 die Konzentration bzw. der Partialdruck des zu applizierenden Stoffes steuern. Übersteigt der Partialdruck den, der in einem bei Raumtemperatur gesättigten Gasgemisch vorliegt, so muß das Applikationssystem 13 zur Vermeidung der Kondensation und des damit verbundenen Partialdruckabfalls auf eine Temperatur, die oberhalb des Taupunkts liegt, geheizt werden.

Bei Spontanatmung kann sowohl die in Bild 1 dargestellte Anordnung verwendet werden, wobei am Beatmungsgerät 1 ein Beatmungsmuster für Spontanatmung eingestellt sein muss, als auch eine vereinfachte Anordnung ohne Beatmungsgerät 1, sowie ohne Inspirations- 2 und Exspirationsschlauch 3. Der Hohlraum 4 ist in diesem Fall durch eine Öffnung mit der Atmosphäre verbunden.

Die patientennahe Messung 11 einzelner oder aller Bestandteile des Gasgemischs dient der Überwachung und der Erhöhung der Sicherheit bei der Applikation der gasförmigen Stoffe.

Bezugszeichenliste

1

Beatmungsgerät

2

Zuführung

3

Ableitung

4

Hohlraum

5

Ventil

6

Ventil

7

CO₂

-Absorber

8

Verdunster oder Injektor

9

inspiratorischer Schenkel

10

exspiratorischer Schenkel

11

patientennahe Messung

12

Patient

13

Applikationssystem

Claims

1. Anordnung zur verbrauchsarmen Applikation gasförmiger Stoffe bei maschineller Beatmung oder bei Spontanatmung, dadurch gekennzeichnet, dass die Elimination des applizierten Stoffes durch ein zwischen Patient (12) und Beatmungsgerät (1) befindliches Applikationssystem (13), dessen Volumen sich nicht ändert, reduziert wird, indem das Gasgemisch bei der Ausatmung durch einen Hohlraum (4) geleitet wird, worin der applizierte Stoff in einer Menge, die vom Verhältnis zwischen Hohlraumvolumen und Atemzugvolumen abhängt, verbleibt und bei der nachfolgenden Einatmung aufgrund der umgekehrten Strömungsrichtung wieder in die Lungen des Patienten (12) gelangt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlraumvolumen V_H zum Atemzugvolumen V_T im Verhältnis V_H < V_T steht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlraumvolumen V_H zwei- bis viermal so groß wie das Atemzugvolumen V_T ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationssystem (13) zur Applikation eines Gasgemischs dient, das mindestens einen Stoff enthält, dessen Siedepunkt über 21°C liegt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationssystem (13) zur Applikation von Perfluorpentan, Perfluorhexan, Perfluorheptan, Perfluoroktan, Perfluornonane, Perfluordekan, Isofluran, Desfluran oder Servofluran einzeln oder als Kombination dient.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partialdruck des zu applizierenden Stoffs über die Temperatur bei der Verdunstung steuerbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationssystem (13) zur Applikation eines Gases oder Gasgemischs dient, bei dem die Konzentration mindestens eines Gases im Applikationssystem höher ist als im Gasgemisch am Inspirationsventil des Beatmungsgeräts.

8. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationssystem (13) zur Applikation von Helium, Sauerstoff, Schwefelhexafluorid oder Xenon dient.