DE102006049899A1 - Vorrichtung zur Beatmung sowie Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes - Google Patents

Vorrichtung zur Beatmung sowie Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes Download PDF

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Abstract

Die Vorrichtung zur Beatmung weist eine Druckgasquelle, einen Druckregler sowie mindestens eine Mischeinrichtung mit Venturidüse zum Mischen des Druckgases mit Umgebungsluft auf. Die Mischeinrichtung weist eine Grundstromstufe sowie eine vollstromstufe auf. Ab einer vorgebbaren Schaltschwelle ist die Vollstromstufe parallel zur Grundstromstufe geschaltet, Gemäß dem Verfahren zur Steuerung des Beatmungsgerätes wird ein Sauerstoffgehalt des Atemgases durch Auswertung eines ermittelten Volumenanteiles an Sauerstoff auf einen vorgebbaren Sollwert geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beatmung, die eine Druckgasquelle, einen Druckregler sowie mindestens eine Mischeinrichtung mit Venturidüse zum Mischen des Druckgases mit Umgebungsluft aufweist.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes, bei dem Atemgas durch Mischen von Druckgas und Umgebungsluft bereitgestellt wird.
  • Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden beispielsweise im medizintechnischen Bereich eingesetzt, um einem Patienten unter Verwendung eines Patienteninterfaces, beispielsweise einer Atemgasmaske oder eines Tubus, Atemgas mit einem zweckmäßigen Gehalt an Sauerstoff zuzuführen.
  • Es können aber auch diverse Anwendungen außerhalb des Gebietes der Medizintechnik erfolgen. Beispielsweise kann bei Beatmungsgeräten für Taucher oder Feuerwehrleute das Problem auftreten, daß ein Sauerstoffverbrauch zu minimieren ist. Das gleiche Problem kann auch im industriellen Bereich bei Tätigkeiten auftreten, die die Verwendung von Beatmungsgeräten zum Schutz der betreffenden Person vor der Einwirkung von Umweltgasen erforderlich machen und bei denen die betreffenden Personen durch die vorgesehenen Tätigkeiten die Hände nicht frei haben, um selbst auf die verwendeten Beatmungsgeräte einwirken zu können. Schließlich sind auch Anwendungen im Bereich von Beatmungsgeräten denkbar, die von Astronauten oder Piloten verwendet werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß innerhalb eines großen Bereiches an möglichen Volumenströmen eine möglichst genaue Steuerbarkeit gewährleistet wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mischeinrichtung eine Grundstromstufe sowie eine Vollstromstufe aufweist und daß ab einer vorgebbaren Schaltschwelle die Vollstromstufe parallel zur Grundstromstufe geschaltet ist.
  • Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß eine genaue Einhaltung eines vorgebbaren Sauerstoffgehaltes des Atemgases unterstützt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Sauerstoffgehalt des Atemgases durch Auswertung eines er mittelten Volumenanteiles an Sauerstoff auf einen vorgebbaren Sollwert geregelt wird.
  • Durch die Konstruktion der Venturidüse mit einer Grundstromstufe und einer Vollstromstufe ist es möglich, sowohl für kleine Volumenströme als auch für große Volumenströme optimierte Querschnittverhältnisse und damit Injektorwirkungen vorzugeben. Es wird hierdurch eine im gesamten Arbeitsbereich gut steuerbare Düsenanordnung bereitgestellt.
  • Durch die Auswertung eines sensorisch direkt oder indirekt erfaßten Sauerstoffgehaltes ist es möglich, eine exakte Einhaltung einer vorgegebenen Atemgaszusammensetzung zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist die Kombination einer zwei- oder mehrstufigen Venturidüsenanordnung mit der direkten oder indirekten meßtechnischen Erfassung des Sauerstoffgehaltes und die entsprechende Regelung der zwei oder mehrstufigen Venturidüsenanordnung.
  • Eine kompakte konstruktive Realisierung wird dadurch unterstützt, daß die Grundstromstufe als ein Festinjektor ausgebildet ist.
  • Eine gute Steuerbarkeit wird dadurch bereitgestellt, daß die Vollstromstufe einen Nadelinjektor aufweist.
  • Für einen robusten Aufbau erweist es sich als vorteilhaft, daß eine Nadel des Nadelinjektors in Richtung einer Nadellängsachse positionierbar angeordnet ist.
  • Ebenfalls trägt es zu einer kompakten Konstruktion bei, daß die Nadel durch einen einwirkenden Sauerstoffdruck positionierbar ist.
  • Eine genaue Steuerbarkeit wird dadurch unterstützt, daß ein zur Druckregelung verwendetes Steuerventil beispielsweise als ein Proportionalventil ausgebildet ist. Alternativ kann auch ein anderes Stellventil verwendet werden. Das Stellventil kann motorbetrieben, handbetrieben oder druckregelbar ausgebildet sein. Verwendbar sind auch Membranstellantriebe, Klappen mit Motorantrieb oder Armaturen mit Membranantrieb Eine nochmals gesteigerte Kompaktheit der Konstruktion läßt sich dadurch erreichen, daß die Nadel mindestens bereichsweise mit einem Nadelhohlraum versehen ist.
  • Ebenfalls trägt es zu einer kompakten und einfachen Konstruktion bei, daß die Grundstromstufe der Mischeinrichtung den Nadelhohlraum umfaßt.
  • Eine genaue Sauerstoffdosierung wird dadurch unterstützt, daß eine Steuereinrichtung des Druckreglers an eine Sauerstoffmeßeinrichtung angeschlossen ist.
  • Insbesondere ist daran gedacht, daß die Meßeinrichtung einen Feuchtesensor umfaßt.
  • Ebenfalls erweist es sich als vorteilhaft, daß die Meßeinrichtung einen Temperatursensor umfaßt.
  • Zusätzlich ist auch daran gedacht, daß die Meßeinrichtung einen oder mehrere Drucksensoren umfaßt.
  • Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, daß die Meßeinrichtung einen Ultraschallsensor umfaßt.
    •
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
  • 1 eine Mischeinrichtung für Sauerstoff und Umgebungsluft unter Verwendung von zwei Venturidüsen, wobei die eine Venturidüse als Festinjektor und die zweite Venturidüse als Nadelinjektor ausgebildet ist, in einem geschlossenen Zustand des Nadelinjektors,
  • 2 eine vergrößerte teilweise Darstellung der Anordnung gemäß 1,
  • 3 eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform bei Verwendung einer hohlen Nadel zur Bereitstellung des Festinjektors,
  • 4 eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform mit stufenlos einstellbarem Nadelinjektor,
  • 5 eine vergrößerte teilweise Darstellung der Anordnung gemäß 4,
  • 6 eine weitere Ausführungsform mit hohler Nadel bei geschlossenem Nadelinjektor,
  • 7 eine vergrößerte teilweise Darstellung der Anordnung gemäß 6,
  • 8 die Anordnung gemäß 6 und 7 nach einem Öffnen des Nadelinjektors,
  • 9 ein detailliertes Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer meßtechnischen Erfassung eines Sauerstoffgehaltes des Atemgases und
  • 10 eine vereinfachte Darstellung der Anordnung in 9.
  • 1 zeigt eine Druckgasquelle (1), die über einen Druckregler (2) und ein Steuerventil (3) an eine Mischeinrichtung (4) angeschlossen ist. Die Mischeinrichtung (4) besitzt einen Druckgaseingang (5), mindestens einen Umgebungsluftanschluß (6, 7) sowie einen Ausgang (8).
  • Die Druckgasquelle (1) kann beispielsweise als eine Flüssiggasquelle ausgebildet sein, deren Druck vom Druckregler (2) auf einen Bereich von 2,7 bis 6 bar eingestellt wird. Das Steuerventil (3) kann als ein Proportionalventil ausgebildet sein. Den Umgebungsluftanschlüssen (6, 7) wird die Umgebungsluft vorteilhafterweise über einen Luftfilter (9) zugeführt.
  • Die Mischeinrichtung (4) gemäß 1 weist zwei Venturidüsen (10, 11) auf, wobei die Venturidüse (10) eine Grundstromstufe für einen unteren Lastbereich und die Venturidüse (11) eine Vollstromstufe für einen oberen Lastbereich bereitstellt. Insbesondere ist daran gedacht, im oberen Lastbereich die Venturidüsen (10, 11) relativ zueinander parallel zu betreiben.
  • Die Venturidüse (10) ist als ein Festinjektor ausgebildet, dem über den Druckgaseingang (5) das Druckgas als Treibgas zugeführt wird. Die Umgebungsluft wird über den Umgebungsluftanschluß (6) zur Venturidüse (10) geleitet. Aufgrund der Injektorwirkung der aus der Venturidüse (10) ausströmenden Gasströmung an Druckgas wird Umgebungsluft mitgerissen, im Bereich einer Mischkammer (12) mit dem Druckgas vermengt und anschließend in Richtung auf den Ausgang (8) geleitet. Dabei wird über einem Diffusor (12a) erneut Druck aufgebaut.
  • Die Venturidüse (11) ist als ein Nadelinjektor ausgebildet, wobei bei in dem in 1 dargestellten Betriebszustand eine Nadel (13) den Düsenausgang (14) verschließt. Die Nadel (13) ist von einem Nadelträger (15) gehaltert, in dem die Nadel (13) in Richtung einer Nadellängsachse (16) beweglich geführt ist. Eine Nadelspitze (17) ragt aus dem Düsenausgang (14) heraus. Ein der Nadelspitze (17) abgewandter Nadelsockel (18) ist auf einer Membran (19) befestigt, die in einer Membrankammer (20) angeordnet ist. Die Membrankammer (20) ist über einen Steuerkanal (21) mit dem Druckgaseingang (5) verbunden. Darüber hinaus ist die Membran (19) im Bereich ihrer der Membrankammer (20) abgewandten Oberfläche von einem Gegenelement (22) abgestützt, das über eine Feder (23) gegenüber einem Kammergehäuse (24) verspannt ist.
  • Die Kraft der Feder (23) ist derart dimensioniert und mit Hilfe einer Einstellschraube (23a) so voreingestellt, daß bei einem am Druckgaseingang (5) anliegenden unteren Druckbereich, der über den Steuerkanal (21) auf die Membrankammer (20) übertragen wird, die Kraft der Feder (23) ausreichend ist, um die Nadel (13) abdichtend in den Düsenausgang (14) zu drücken.
  • Zur Unterstützung einer kompakten Ausbildung der Mischeinrichtung (4) verläuft ein Verbindungskanal (25) ausgehend vom Druckgaseingang (5) am Nadelträger (15) vorbei bis zu einem Eingangskanal (26) der Venturidüse (10). Hierdurch kann eine gemeinsame Druckgasversorgung beider Venturidüsen (10, 11) erreicht werden.
  • 2 zeigt eine vergrößerte teilweise Darstellung der Anordnung in 1. Es ist insbesondere die großflächige Abstützung der Membran (19) durch das Gegenelement (22) zu erkennen. Ebenfalls ist die abgedichtete Führung der Nadelspitze (17) im Düsenausgang (14) zu erkennen. Der Verbindungskanal (25) verläuft zwischen dem Nadelträger (15) und einem Ausgangssockel (27) des Düsenausgangs (14) vorzugsweise ringförmig und konzentrisch zur Düsenlängsachse (16). Hierdurch wird eine widerstandsarme Strömungsverbindung zum Eingangskanal (26) der Venturidüse (10) bereitgestellt.
  • Gemäß der abgewandelten Ausführungsform in 3 ist die erste Venturidüse (10) durch einen Nadelhohlraum (28) der Nadel (13) ausgebildet. Der Nadelhohlraum (28) ist über einen Querkanal (29) mit dem Verbindungskanal (25) gekoppelt. Der Nadelhohlraum (28) erstreckt sich bis in den Bereich der Nadelspitze (17), so daß für die Grundstromstufe unabhängig von einer konkreten Positionierung der Nadel (13) eine Grundströmung bereitgestellt wird, die Umgebungsluft vom Bereich des Umgebungsluftanschlusses (7) bis in eine Mischkammer (30) der Venturidüse (11) leitet und über einen Diffusor (30a) den zum Betrieb der Vorrichtung erforderlichen Druck aufbaut.
  • 4 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform in 1 abgewandelte Ausführungsform. Der Nadelinjektor ist hierbei zusätzlich stufenlos einregelbar. Eine derartige Regelbarkeit ist auch bei der Ausführungsform gemäß 1 möglich. In 1 ist ein Betriebszustand mit geöffnetem Injektor dargestellt. Darüber hinaus befindet sich die Anordnung ge mäß 4 in der Vollstromstufe, bei der auch die Venturidüse (11) durch ein Zurückziehen der Nadel (13) aktiviert wurde. Das Zurückziehen der Nadel (13) erfolgt ab einem vorgebbaren Steuerdruck. Der Steuerdruck wird über den Steuerkanal (21) auf die Membrankammer (20) übertragen und drückt die Membran (19) gegen den Druck der Feder (23) zurück. Aufgrund der Verbindung der Membran (19) mit dem Nadelsockel (18) wird hierdurch die Nadel (13) in Richtung der Nadellängsachse (16) zurückgezogen und gibt einen Ringkanal im Bereich des Düsenausganges (14) frei. Durch diesen Ringkanal tritt das Druckgas aus und strömt in Richtung auf die Mischkammer (30), in der das Druckgas mit angesaugter Umgebungsluft vermengt wird. Im Diffusor (30a) wird erneut Druck aufgebaut.
  • 5 zeigt eine vergrößerte teilweise Darstellung der Anordnung gemäß 4. Insbesondere ist der sich zwischen der Nadelspitze (17) und dem Düsenausgang (14) erstreckende Ringkanal (31) zu erkennen. Im dargestellten Betriebszustand werden beide Venturidüsen (10, 11) parallel zueinander betrieben. Die konkrete aktuelle Dimensionierung des Ringkanals (31) ist abhängig vom einwirkenden Steuerdruck und der hierdurch verursachten Durchbiegung der Membran (19), die eine entsprechende Positionierung des Nadelsockels (18) und somit auch der Nadel (13) verursacht.
  • 5 veranschaulicht ebenfalls nochmals, daß der Übergangsdruck zur Aktivierung des Überganges von der Grundstromstufe zur Vollstromstufe durch eine geeignete Vorspannung des Gegenelementes (22) vorgebbar ist. Die vorspannung wird durch Verdrehen eines Stellelementes (32) verursacht. Das Stellelement (32) kann als eine Schraube ausgebildet sein, die mit einem Außengewinde in einem Innengewinde des Kammergehäuses (24) geführt ist. Durch ein Verdrehen des Stellelementes (32) erfolgt eine geeignete Verspannung der Feder (23). Zur Vermeidung einer Einbringung von Drehbewegungen in die Feder (23) erfolgt eine Kopplung des Stellelementes (32) mit der Feder (23) über eine Kugel (33).
  • 6 zeigt eine nochmals abgewandelte Ausführungsform, bei der der Nadelinjektor geschlossen ist und als Grundstromstufe lediglich die Düsennadel in Betrieb ist. Die Membran (19) ist hierbei von der Feder (23) in den Grundzustand zurückgedrückt worden.
  • Die vergrößerte teilweise Darstellung in 7 zeigt die Nadel (13) in einem Betriebszustand der Grundstromstufe, in dem der Ringkanal (31) geschlossen ist. Es tritt hierdurch lediglich Druckgas durch den Querkanal (29) und den Nadelhohlraum (28) hindurch aus.
  • 8 zeigt die Anordnung gemäß 7 in einem geöffneten Zustand des Ringkanals (31). Es wird hierdurch die vollstromstufe der Mischeinrichtung (4) eingenommen. Die Membran (19) ist wiederum durch den einwirkenden Druck in die Öffnungspositionierung überführt und hat hierdurch die Nadel (13) zurückgezogen.
  • 9 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines regelungstechnischen Konzeptes einer Regelung des Sauerstoffgehaltes bei einer Verwendung von Sauerstoff als Druckgas. Zwischen die Druckgasquelle (1) und den Druckregler (2) ist hier ein Druckminderer (34) geschaltet. Der Ausgang des Druckreglers (2) ist an ein Injektorventil (35) angeschlossen, das von einer Steuereinrichtung (36) betätigt wird. Das Injektorventil (35) ist mit beiden Venturidüsen (10, 11) verbunden. Beide venturidüsen (10, 11) münden in eine Mischkammer (37) ein. Das Injektorventil (35) und die Venturidüsen (10, 11) sind über eine Bypaßleitung (38) mit Bypaßventil (39) überbrückt. Die Bypaßleitung (38) mündet ebenfalls in die Mischkammer (37) ein.
  • Über die Parallelschaltung zweier Rückschlagventile (41) sind die Venturidüsen (10, 11) über den Luftfilter (9) mit einer Umgebung verbunden. Die Mischkammer (37) ist über die Reihenschaltung eines Rückschlagventils (42) und eines Patientenventils (43) mit einem Patienteninterface (44) verbunden.
  • Zwischen das Patientenventil (43) und das Patienteninterface (44) ist ein Flowsensor (46) geschaltet. Ebenfalls ist ein Drucksensor (47) verwendet und mit der Steuereinrichtung (36) verbunden.
  • Zwischen das Rückschlagventil (42) und das Patientenventil (43) sind ein Ultraschallsensor (49), ein Temperatursensor (53) sowie ein Feuchtsensor (50) geschaltet und ebenfalls an die Steuereinrichtung (36) angeschlossen. Darüber hinaus ist ein Umgebungsdrucksensor (54) an die Steuereinrichtung (36) angeschlossen.
  • 10 zeigt die Anordnung gemäß 9 in einer stark vereinfachten und schematisierten Darstellung.
  • Die Verwendung der vorstehend erläuterten Sensoren ermöglicht die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im inspiratorischen Atemgas unter Verwendung von preiswerten und zuverlässigen Sensoren. Das Verfahren nutzt eine Kombination aus Feuchte-, Temperatur-, Druck- und Ultraschallsensor.
  • Ein zuverlässiges verfahren zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit eines Fluids ist das Ultraschallverfahren mit Laufzeitmessung geeigneter Signale wechselweise in beiden Flussrichtungen des Fluids mit dem Ultraschallsensor (49) Dabei kann neben der Mediumsgeschwindigkeit auch die Schallgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden. Bei gleichzeitiger Bestimmung der Temperatur des Fluids mit Hilfe eines Temperaturfühlers (53) kann die mittlere Molmasse des Fluids berechnet werden. Ist das Fluid eine Mischung aus trockenem medizinischem oder einem anderen hochkonzentrierten trockenem Sauerstoff einerseits und aus Luft (Umgebungs- oder Druckluft) andererseits und ist dieses Gasgemisch mit Wasserdampf angereichert, so kann die Sauerstoffkonzentration des Gemischs bestimmt werden. Wenn Annahmen über die Zusammensetzung der zugemischten Luft getroffen werden und zusätzlich die Feuchte des Gemischs mittels eines Feuchtesensors (50) sowie der Gasdruck mittels einer Drucksensorik zusätzlich zur Schallgeschwindigkeit gemessen werden, liegen ausreichend Daten zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration vor. Dabei kann es sich bei der Messung des Drucks um eine Kombination aus einem Absolutdrucksensor (54) und Relativdrucksensor (47) an der Messstelle oder einen einzelnen Absolutdrucksensor an der Messstelle handeln.
  • Bei den Annahmen zur Zusammensetzung der Umgebungsluft handelt es sich um die folgenden Gasanteile:
    • a) Stickstoff (N2) und Argon (Ar) liegen in einem festen Verhältnis der Volumenanteile von 78,1:0,9 vor. Dabei besteht normale Umgebungsluft zu etwa 78,1 Volumenprozent aus Stickstoff (N2) und zu 0,9 Volumenprozent (Vol %) aus Argon (Ar).
    • b) Der Volumenanteil an Kohlendioxid (CO2) liegt wie alle anderen Spurengase in der Umgebungsluft nur in ge ringsten Konzentrationen von deutlich unter 1 Vol % (ca. 0,04 Vol %) vor und wird daher vernachlässigt.
    • c) Der Restanteil des trockenen Gases besteht aus Sauerstoff (O2). Bei normaler Umgebungsluft beträgt dieser Anteil ca. 20,9 Vol %.
    • d) Zusätzlich zu den Anteilen des trockenen Gases N2/O2/Ar mit den Verhältnissen 78,1/20,9/0,9 kann die zugemischte Luft noch einen variablen Anteil an Wasserdampf enthalten. Dieser Anteil kann als relative Luftfeuchtigkeit zwischen 0 und 100 % relativer Luftfeuchte (rF) liegen. Dabei hängt der Wasserdampf-Sättigungsdruck lediglich von der Gastemperatur ab, nicht jedoch vom Umgebungsdruck. Nach der Mischung der Luft mit dem hochkonzentrierten trockenem Sauerstoff nimmt die relative Feuchtigkeit des entstehenden Gasgemisches ab.
  • Das hier beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Atemgasen läuft in den folgenden Schritten ab:
    • A) Bestimmung der mittleren Schallgeschwindigkeit c des zu analysierenden Gases mittels Ultraschallsensor (49): c = 2s/(t2 + t1) Gl. (1)mit c: Schallgeschwindigkeit t1: Laufzeit des Messsignals in Richtung 1 t2: Laufzeit des Messsignals in Richtung 2 (entgegen Richtung 1) s: Länge des Messstrecke für das Ultraschallsignal (von Transducer 1 bis Transducer 2)
    • B) Bestimmung der Gastemperatur T mit Hilfe des Temperatursensors (53).
    • C) Bestimmung der mittleren Molmasse des zu analysierenden Gases (mit Gl. (1) und B) M = R·T·k/C2 Gl. (2)mit M: mittlere Molmasse R: Gaskonstante (R = 8,3145 J/(mol·K)) k: Adiabatenkoeffizient (k = 1,402)
    • D) Bestimmung des Feuchtegehaltes rF des zu analysierenden Gases mittels des Feuchtesensors (50), bevorzugt als Polymerfeuchtesensor
    • E) Bestimmung des Gasdrucks P an der Messstelle: P = Pamb + Paw Gl. (3)mit Pamb: absoluter Umgebungsdruck Paw: relativer Druck an der Messstelle (z.B. Geräteausgang, Atemwege, Exspirationsschenkel etc.)
    • F) Bestimmung des Sättigungsdrucks Psat für Wasserdampf im zu analysierenden Gas (mit B): Psat = 6,112·exp(17,5043·Tc/(241,2°C + Tc)) hPa Gl. (4) mit Tc: Temperatur in °C (Tc = T – 271,1 K)
    • G) Bestimmung des Partialdrucks des Wasserdampfs PH2O im zu analysierenden Gas (mit D und Gl. (4)): PH2O = (0.01·rF)·Psat Gl. (5)
    • H) Bestimmung des Volumenanteils des Wasserdampfs im zu analysierenden Gas (mit Gln. (3) und (5)): Vw = PH2O/(Pamb + Paw) Gl. (6)mit Vw: Volumenanteil H2O im Gas Hilfsgleichungen: Mittleres Molgewicht M = Vn·Mn + Vo·Mo + Vw·Mw Gl. (7)mit Vn: Volumenanteil Stickstoff + Argon Mn: mittlere Molmasse von Stickstoff + Argon (28,15 g/mol bei festem Verhältnis von 78,1 : 0,9 von Stickstoff zu Argon) Vo: Volumenanteil Sauerstoff Mo: Molmasse Sauerstoff (32,0 g/mol) Mw: Molmasse von Wasser (18,0 g/mol) Bilanzgleichung: Vn + Vo + Vw = 1 Gl. (8)
    • I) Bestimmung des Volumenanteils an Sauerstoff (mit Gln. (7) und (8)) Vo = (M – Mn + Vw·(Mn – Mw))/(Mo – Mn) Gl. (9)mit M: Messwert mittlere Molmasse aus Gl. (2) Vw: Messwert Volumenanteil Wasser aus Gl. (6) Mn = const. Mw = const. Mo = const.
  • Gemäß dem vorstehend erläuterten Anwendungsbeispiel einer Verwendung von Sauerstoff als Druckgas erfolgt eine Versorgung eines Benutzers mit einem vorgebbaren Sauerstoffanteil in der Atemluft. Eine Verwendung von Druckluft als Druckgas ist vorteilhaft, wenn bei mobilen Anwendungen nur begrenzte Mengen an Druckluft zur Verfügung stehen. Durch eine Zumischung von Umgebungsluft ist es möglich, bis zu 75 % des Druckgases gegenüber einer reinen Druckgasversorgung des Anwenders einzusparen.
  • Bei einer Verwendung des Sauerstoffsensors ist es möglich, eine automatische Erkennung einer verwendeten Druckgasquelle durchzuführen. Hierdurch ist es möglich, wahlweise Druckluft oder Drucksauerstoff zu verwenden und durch einen vorgeschalteten Einsatz eines Mischers beliebige Mischverhältnisse zwischen Sauerstoff und Luft bereitzustellen. Durch die Verwendung der Injektoren ist es möglich, das Gasgemisch weiter mit Umgebungsluft anzureichern und hierdurch die Sauerstoffkonzentration des Gemisches zu verringern.
  • Grundsätzlich führt die Verwendung der Injektoren dazu, die Menge an erforderlichem Treibgas zu reduzieren und in vorgebbaren Grenzen eine Veränderung der Sauerstoffkonzentra tion zu ermöglichen. Dies gilt auch bei einer Verwendung von Gasgemischen aus der Druckquelle. Der Sauerstoffsensor ermöglicht die Bestimmung des erzielten Sauerstoffgehaltes des Atemgases bei beliebigen Mischungen von Luft und Sauerstoff. Es kann hierbei auch Sauerstoff verwendet werden, der von einem Sauerstoffkonzentrator bereitgestellt wird. Es wird ebenfalls die Nutzung von Druckluft, eines vorgeschalteten Mischers oder von Konzentratorsauerstoff unterstützt.
  • Zur O2-Berechnung wird bislang von Gemischen aus Luft, H2O und 02 ausgegangen. Wird nun Konzentrator-Gas anstelle von medizinischem O2 genutzt, so kann der Argon-Anteil von ca. 4,1 Vol% im Konzentrator-Gas nicht berücksichtigt werden. Das Gemisch hat eine Molmasse von 32,326 g/mol. Diese mittlere Molmasse des Konzentrator-Gases führt im Extremfall zu einem O2-Meßwert von 108,4 Vol% unter Nutzung der Formel (9) und liegt damit weit außerhalb der zulässigen Abweichung von 5 vol% bei realem FO2 von 1,0 nach ISO 21647:2004.
  • Als Konsequenz muß in der GA eines Transportgerätes die Verwendung von Konzentrator-Gas explizit ausgeschlossen/verboten werden. Andernfalls muß die Bedien- und Mikrocontoller-Software so erweitert werden, daß die Auswahl von Konzentrator-Gas bzw. medizinischem Sauerstoff mit entsprechender Anpassung der Gl. (9) möglich ist.
  • Gl. (9) angepaßt an den Argon-Anteil des Konzentratorgases (mittlere Molmasse 32,326 g/mol) lautet:
    Figure 00170001
  • Das Einsetzen von 32,326 g/mol für die Molmasse von Sauerstoff beinhaltet natürlich einen gewissen Fehler, da auch hier in der angesaugten Luft Sauerstoff mit einer Molmasse von 32,0 g/mol enthalten ist. Streng genommen handelt es sich um eine Gleichung mit einer Unbekannten zuviel, da der Argon-Anteil des Gasgemisches unbekannt ist. Für trockene und feuchte Gase bietet daher die folgende Approximation
    Figure 00180001
    eine Rechengenauigkeit von unter 0,1 vol% für den gesamten Mischbereich bei einer O2-Konzentration von 95,9 Vol%. Selbst bei einer realen Konzentration von nur 92 Vol% 02 im Konzentratorgas bei einer Annahme von 95,9 Vol% ergibt sich eine Abweichung von unter 0,2 Vol%.
  • Grundsätzlich ergibt sich folgende Reihenfolge an Verfahrensschritten:
    • 1. Schätzung der O2-Gesamtfraktion des Konzentrators
    • 2. Daraus wird der Anteil an Luft O2 ermittelt
    • 3. Ermittlung eines Korrekturfaktors (hier 1,1)
    • 4. Berechnung des O2-Anteils des Konzentrators

Claims (20)

  1. Vorrichtung zur Beamtung, die eine Druckgasquelle, einen Druckregler sowie mindestens eine Mischeinrichtung mit Venturidüse zum Mischen des Druckgases mit der Umgebungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung eine Grundstromstufe sowie eine vollstromstufe aufweist und daß ab einer vorgebbaren Schaltschwelle die Vollstromstufe parallel zur Grundstromstufe geschaltet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundstromstufe als ein Festinjektor ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung. nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vollstromstufe einen Nadelinjektor aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nadel (13) des Nadelinjektors in Richtung einer Nadellängsachse (16) positionierbar angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (13) durch einen einwirkenden Steuerdruck positionierbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Druckregelung verwendetes Steuerventil (3) als ein Proportionalventil ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (13) mindestens bereichsweise mit einem Nadelhohlraum (28) versehen ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundstromstufe der Mischeinrichtung (4) den Nadelhohlraum (28) umfaßt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (36) an eine Sauerstoffmeßeinrichtung angeschlossen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Feuchtesensor (50) umfaßt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Temperatursensor (53) umfaßt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Drucksensor (47) umfaßt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Ultraschallsensor (49) umfaßt.
  14. Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes, bei dem Atemgas durch Mischen von Druckgas und Umgebungsluft bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoffgehalt des Atemgases durch Auswertung eines ermittelten Volumenanteiles an Sauerstoff auf einen vorgebbaren Sollwert geregelt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feuchtegehalt gemessen wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gastemperatur gemessen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasdruck gemessen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschalllaufzeiten gemessen werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischeinrichtung (4) mit mindestens einer Venturidüse (10, 11) gesteuert wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt in Abhängigkeit von einer Voreinstellung basierend auf medizini schem Sauerstoff oder Konzentratorsauerstoff bestimmt wird.
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