DE102019003643A1 - Anordnung mit einem lnspirationsventil für ein Beatmungssystem - Google Patents

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Abstract

Anordnung (1) mit einem Inspirationsventil (10) für ein Beatmungssystem (100), aufweisend:- eine Inspirationsöffnung (11) des Inspirationsventils (10) für einen Durchfluss (301) eines Atemgases (300) in eine Druckkammer (110), um das Atemgas (300) in der Druckkammer (110) zum Beatmen eines Patienten (200) bereitzustellen,- ein Verschlusselement (12) des Inspirationsventils (10), welches beweglich angeordnet ist, um die Inspirationsöffnung (11) für den Durchfluss (301) in einer Schließstellung (320) zu verschließen und in einer Offenstellung (310) zumindest teilweise freizugeben,- ein Übertragungsmittel (13) des Inspirationsventils (10), welches über ein Verbindungselement (14) mit dem Verschlusselement (12) verbunden ist, um das Verschlusselement (12) in einer Ausgangslage des Übertragungsmittels (13) in der Schließstellung (320) zu halten, vorzugsweise sodass das Inspirationsventil (10) als ein normal geschlossenes Inspirationsventil (10) für das Beatmungssystem (100) bereitgestellt ist,- eine Steuerdruckquelle (130) zur Bereitstellung eines Steuerdrucks (PS) in einer Steuerdruckkammer (15) für das Übertragungsmittel (13), um das Übertragungsmittel (13) durch den Steuerdruck (PS) aus der Ausgangslage zu bewegen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Inspirationsventil für ein Beatmungssystem. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Beatmungssystem sowie ein Verfahren.
  • STAND DER TECHNIK
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Exspirationsventile und Inspirationsventile bekannt, welche zur Beatmung von Patienten Verwendung finden. So werden Exspirationsventile häufig als sogenannte „normal geschlossene“ Ventile (auch: Normally Closed, N.C.) eingesetzt, um bei einer Beatmung eines Patienten in der Ausatemphase einen sogenannten positiven endexspiratorischen Druck (kurz: PEEP, Positive End Expiratory Pressure) einzustellen. Auch können Inspirationsventile als sogenannte „normal geöffnete“ Ventile (Normally Open, N.O.) ausgeführt sein, die während der Einatmung geöffnet sind und während der Ausatmung geschlossen werden.
  • Für die Regelung eines Durchflusses eines Atemgases zum Patienten kann ferner ein Steuerdruck durch eine Pumpe generiert werden, welcher das Inspirationsventil ansteuert.
  • Allerdings ist es ein Nachteil herkömmlicher Lösungen, dass eine Regelung solcher Inspirationsventile mit höherem technischem Aufwand verbunden sein kann.
  • Konkret kann es z. B. bei einer fehlerhaften Ansteuerung, z. B. bei einem Ausfall der Pumpe, zu einem dauerhaft geöffneten Zustand des Inspirationsventils kommen. Damit würde der Durchfluss des Atemgases zum Patienten ohne weitere Sicherheitsmaßnahmen ungehindert erfolgen.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu reduzieren. Insbesondere ist es eine Aufgabe, eine verbesserte Lösung für eine patientennahe Beatmungssteuerung bzw. - regelung bereitzustellen, bei welcher eine einfache und stabile Druckregelung ermöglicht wird. Außerdem kann es eine Aufgabe sein, den technischen Aufwand für einen sicheren Betrieb des Inspirationsventils zu reduzieren.
  • Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Beatmungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beatmungssystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine Anordnung, vorzugsweise Ventilanordnung, mit einem (d. h. aufweisend ein) Inspirationsventil für ein Beatmungssystem. Ein solches Inspirationsventil kann zur Steuerung des Durchflusses eines Fluids beim Vorgang des Einatmens dienen. Hierzu kann das Inspirationsventil eine Inspirationsöffnung aufweisen, um konkret den Durchfluss eines Atemgases in eine Druckkammer zu steuern, und um hierdurch das Atemgas in der Druckkammer zum Beatmen eines Patienten nutzbar zu machen. In anderen Worten ist die Inspirationsöffnung des Inspirationsventils für den Durchfluss des Atemgases in die Druckkammer vorgesehen, um das Atemgas in der Druckkammer zum Beatmen des Patienten bereitzustellen. Es kann außerdem ein Verschlusselement des Inspirationsventils vorgesehen sein, welches beweglich angeordnet ist, um die Inspirationsöffnung für den Durchfluss in einer Schließstellung zu verschließen und in einer Offenstellung zumindest teilweise freizugeben. Damit kann die Schließstellung dazu dienen, den Durchfluss zu verhindern, und die Offenstellung entsprechend dazu dienen, den Durchfluss zu ermöglichen. Die Ansteuerung einer Bewegung des Verschlusselements von der Schließstellung in die Offenstellung und/oder umgekehrt kann somit zur Steuerung des Durchflusses führen. Ein dauerhaftes Vorliegen der Offenstellung, z. B. bei einem Defekt der Steuerung, kann allerdings ggf. einen kritischen Zustand herbeiführen.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kann ferner zumindest eine der nachfolgenden Komponenten aufweisen, insbesondere zur Verhinderung dieses kritischen Zustands:
    • - ein (insbesondere mechanisches) Übertragungsmittel des Inspirationsventils, welches über ein (insbesondere mechanisches) Verbindungselement mit dem Verschlusselement verbunden ist, um das Verschlusselement in einer Ausgangslage des Übertragungsmittels in der Schließstellung zu halten, vorzugsweise sodass das Inspirationsventil als ein normal geschlossenes Inspirationsventil für das Beatmungssystem bereitgestellt ist,
    • - eine Steuerdruckquelle, wie eine Pumpe, zur Bereitstellung eines Steuerdrucks in einer Steuerdruckkammer für das Übertragungsmittel, um das Übertragungsmittel durch den (insbesondere eine Erhöhung des) Steuerdruck(s) aus der Ausgangslage zu bewegen.
  • Dies kann den Vorteil haben, dass bei einem Ausfall der Steuerdruckquelle bzw. des Steuerdrucks das Verschlusselement gemäß der Ausgangslage des Übertragungsmittels in der Schließstellung gehalten wird. In anderen Worten kann das Inspirationsventil „normal“ (d. h. in der Ausgangslage bei ausbleibenden Steuerdruck) geschlossen sein.
  • Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass das Übertragungsmittel zur kraftübertragenden Kopplung der Druckkammer mit dem Verschlusselement ausgebildet ist, sodass bei einem Anstieg eines Kammerdrucks in der Druckkammer das Verschlusselement, außerhalb der Ausgangslage des Übertragungsmittels, und insbesondere gegen den Steuerdruck, in Richtung der Schließstellung bewegt wird. Auch hierbei kann der Vorteil erzielt werden, dass die Schließstellung nicht nur durch die Einstellung des Steuerdrucks bewirkt werden kann, sondern bereits im Normalzustand, d. h. auch bei Ausbleiben eines Steuerdrucks, und bei Erhöhung des Kammerdrucks das Inspirationsventil geschlossen wird. Auch wenn das Verschlusselement sich in einem teilweise geöffneten Zustand (in der Offenstellung) befindet, kann es bei Ausbleiben oder Reduzierung des Steuerdrucks ggf. automatisch in die Schließstellung bewegt werden, um automatisch zumindest eine Reduzierung des Durchflusses des Atemgases in die Druckkammer zu bewirken.
  • Unter der Ausgangslage des Übertragungsmittels kann im Rahmen der Erfindung ein Zustand verstanden werden, in welchem sich das Übertragungsmittel ohne äußere Energiezufuhr, wie z. B. durch einen Steuerdruck, insbesondere zusätzlich zum normal vorherrschenden Luftdruck, befindet. Erst beim Anlegen einer zusätzlichen Kraft, z. B. durch Erhöhung des Steuerdrucks, kann sich das Übertragungsmittel aus der Ausgangslage bewegen, und diese Bewegung über das Verbindungselement an das Verschlusselement weitergeben. Die Bewegung ist dabei insbesondere als eine Auslenkung ausgeführt, z. B. des Übertragungsmittels in der Form einer Membran.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Übertragungsmittel dazu ausgeführt ist, die Steuerdruckkammer von der Druckkammer abzutrennen, vorzugsweise fluiddicht abzutrennen. Damit hat das Übertragungsmittel eine weitere Funktionalität, nämlich insbesondere die Abdichtung der Steuerdruckkammer. Damit kann das Übertragungsmittel in anderen Worten eine Abdichtungsfunktion aufweisen.
  • Auch kann ggf. durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Vorteil erzielt werden, dass ein steigender Kammerdruck automatisch eine Reduzierung des Durchflusses des Atemgases in die Druckkammer bewirkt. Diese Reduzierung des Durchflusses kann einer weiteren Erhöhung des Kammerdrucks entgegenwirken, und ggf. auch eine Verringerung des Kammerdrucks ermöglichen. Damit wird der Betrieb des Inspirationsventils, insbesondere hinsichtlich einer Regelung, technisch deutlich vereinfacht. Der Kammerdruck ist dabei insbesondere für einen Atemwegsdruck des Patienten spezifisch und/oder entspricht diesem.
  • Die Bewegung des Verschlusselements in Richtung der Schließstellung kann ferner ggf. ein Schließen des Inspirationsventils bewirken, um den weiteren Durchfluss des Atemgases zu reduzieren oder einzustellen. Die Bewegung des Verschlusselements in Richtung der Offenstellung kann hingegen ein Öffnen des Inspirationsventils bewirken, um den weiteren Durchfluss des Atemgases zu erhöhen.
  • Der Erfindung liegt insbesondere auch die Erkenntnis zugrunde, dass ein herkömmliches Inspirationsventil zwar auch die volle Funktionalität aufweisen kann, ein zu hoher Kammerdruck jedoch zu einem Öffnen des Inspirationsventils führt. Da der Kammerdruck im Wesentlichen dem Atemwegsdruck entsprechen kann, führt dies zu einem zusätzlichen Druckaufbau in den Atemwegen. Herkömmlicherweise muss ein Regler dieses Verhalten in technisch aufwendiger Weise dauerhaft anhand einer Rückführung des Kammer- und/oder Atemwegsdrucks und/oder eines Steuerdrucks ausregeln. Vorteilhafterweise kann gemäß der Erfindung das Inspirationsventil daher derart ausgebildet sein, dass ein steigender Kammerdruck eine steigende, schließende Kraft auf das Inspirationsventil ausübt. Damit führt ein steigender Kammerdruck bei dem Inspirationsventil zu einem zunehmenden Schließen des Inspirationsventils, sodass insbesondere ein zunehmender Druckaufbau des Kammerdrucks durch ein Verhindern des Weiteren Eintritts des Atemgases verhindert werden kann, und vorzugsweise sogar der Kammerdruck reduziert werden kann. Dabei kann der Kammerdruck als Äquivalent zum Steuerdruck für das Inspirationsventil verstanden werden. Dies hat weiter den Vorteil, dass für langsame Druckeinstellungen nur noch eine langsame Regelung bzw. im Extremfall nur noch eine Steuerung ohne Rückführung des Kammerdrucks bzw. Atemwegsdrucks benötigt wird.
  • Vorteilhafterweise entspricht ein Regelungsverhalten des Inspirationsventils dem eines selbst stabilisierenden Druckreglers, wenn ein Druckanstieg des Kammerdrucks in der Druckkammer eine Bewegung des Verschlusselements in die Schließstellung und damit eine Verringerung des Eintritts von Atemgas in die Druckkammer zur Folge hat. Die Verringerung des Eintritts von Atemgas in die Druckkammer hat wiederrum den Vorteil, dass der Anstieg des Kammerdrucks nicht weiter durch das Atemgas verstärkt wird oder sogar verringert werden kann. Somit kann der Aufwand für eine Regelung des Inspirationsventils deutlich reduziert werden. Es ist bspw. nicht erforderlich, dass aktiv mittels eines Steuerdrucks der Regelung der Öffnung des Verschlusselements (Bewegung in Richtung Offenstellung) entgegengewirkt wird. Dies erfolgt automatisch aufgrund des Übertragungsmittels durch den Druckanstieg in der Druckkammer.
  • Um eine höhere Dynamik des Inspirationsventils mit weiten Öffnungen bzw. hohen möglichen Volumenströmen zu erreichen, kann es zudem sinnvoll sein, die Öffnung des Inspirationsventils für erwartete hohe Volumenströmen des Atemgases aktiv weit zu öffnen. Auch kann es sinnvoll sein, das Inspirationsventil bei Überschreitung eines Zielwerts für den Kammerdruck durch Absenkung des Steuerdrucks schnell zu schließen.
  • Vorteilhafterweise kann ein im Zusammenhang mit dem Inspirationsventil eingesetzten Exspirationsventil derart ausgebildet sein, dass ein steigender Kammerdruck zu einer Öffnung des Exspirationsventils führt, sodass ein Entweichen des Atemgases und damit eine Senkung des Kammerdrucks erfolgt.
  • Weiter kann im Rahmen der Erfindung ggf. der weitere Vorteil erzielt werden, dass mit einem normal geschlossenen Inspirationsventil der Betrieb des Inspirationsventils technisch deutlich vereinfacht wird. Vorteilhafterweise kann hierdurch auch ein sich selbst stabilisierender Druckregler aufgebaut werden, bei dem insbesondere ein steigender Kammerdruck zu einer steigenden schließenden Kraft auf das Inspirationsventil führt, d. h. insbesondere auf dessen Verschlusselement.
  • „Normal geschlossen“ kann dabei im Rahmen der Erfindung bedeuten, dass das Ventil ohne äußere Energiezufuhr, wie z. B. durch einen Steuerdruck, insbesondere zusätzlich zum normal vorherrschenden Luftdruck, geschlossen ist. Ein Öffnen des Inspirationsventils erfolgt erst beim Anlegen zusätzlicher Energie, z.B. durch Erhöhung des Steuerdrucks für das Inspirationsventil.
  • Von weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass das Übertragungsmittel ferner aufweist:
    • - eine erste Fläche zur Beaufschlagung mit dem Kammerdruck aus der Druckkammer, um den Anstieg des Kammerdrucks in eine steigende Kraft zur Bewegung des Verschlusselements in Richtung der Schließstellung zu übertragen,
    • - eine zweite Fläche zur Beaufschlagung mit dem Steuerdruck aus der Steuerdruckkammer, um einen Anstieg des Steuerdrucks in eine steigende Kraft zur Bewegung des Verschlusselements in Richtung der Offenstellung zu übertragen,
    wobei vorzugsweise die erste und zweite Fläche gegenüberliegend angeordnet sind, um bevorzugt den Anstieg des Kammerdrucks und des Steuerdrucks in mechanische Auslenkungen des Übertragungsmittels in entgegengesetzte Richtungen zu übertragen.
  • In anderen Worten wird ein durch den Druckanstieg des Kammerdrucks in der Druckkammer auf die erste Fläche einwirkende Kraft aus der Druckkammer in eine mechanische Auslenkung des Übertragungsmittels und damit - über das Verbindungselement - in die Bewegung des Verschlusselements in die Schließstellung umgewandelt, und eine durch einen Anstieg des Steuerdrucks auf die zweite Fläche einwirkende Kraft aus der Steuerdruckkammer - ggf. ebenfalls über das Verbindungselement - in die Bewegung des Verschlusselements in die Offenstellung umgewandelt, sodass insbesondere der Steuerdruck und der Kammerdruck bzw. ein Atemwegsdruck in der Druckkammer konkurrierend zur Bereitstellung gegenläufiger Bewegungen des Verschlusselements ausgeführt sind. Dabei ist es möglich, dass die Flächen unterschiedliche Größen aufweisen, um den Einfluss des Steuerdrucks und Kammerdrucks in unterschiedlichem Ausmaß einzustellen. Bspw. kann hierzu die erste Fläche dadurch in Bezug zur zweiten Fläche verkleinert werden, dass eine Beaufschlagung des Kammerdrucks am Randbereich des Übertragungsmittels verhindert wird (z. B. durch eine Abdichtung und/oder Verklebung und/oder dergleichen in diesem Randbereich).
  • Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass das Verschlusselement zum Verschließen der Inspirationsöffnung in der Schließstellung eine Verschlusselementfläche aufweist, wobei das Flächenverhältnis der Verschlusselementfläche zur ersten Fläche im Bereich von 0,25 bis 1, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 0,75, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 0,6 liegt. Das Flächenverhältnis kann zur Anpassung des Reglungsverhaltens des Inspirationsventils und/oder zur Anpassung an die Druckverhältnisse verändert werden. Durch die Wahl des Verhältnisses der Flächen bzw. der Flächeninhalte kann z. B. gewährleistet werden, dass der Kammerdruck eine größere Kraft auf die erste Fläche als auf das Verschlusselement ausübt, was dazu führt, dass bei höherem Kammerdruck die Schließfunktion des Inspirationsventils (Bewegen des Verschlusselements in die Schließstellung) mit steigender Schließkraft erfüllt wird.
  • In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass ein Flächeninhalt der zweiten Fläche einem Flächeninhalt der ersten Fläche entspricht oder maximal 10 Prozent davon abweicht. Somit können der Steuerdruck und der Kammerdruck im Wesentlichen gleichermaßen die Bewegung des Verschlusselements bewirken. Alternativ kann es möglich sein, dass sich der Flächeninhalt der ersten und zweiten Fläche voneinander unterscheiden, vorzugsweise um mehr als 10 Prozent. Dies ermöglicht es z. B. den Einfluss des Steuerdrucks auf die Bewegung des Verschlusselements zu erhöhen, wenn die zweite Fläche einen größeren Flächeninhalt aufweist als die erste Fläche. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass auch eine weniger leistungsfähige und/oder kleinere Steuerdruckquelle bzw. Pumpe eingesetzt werden kann. Dies kann es auch ermöglichen, dass die Steuerdruckquelle bzw. Pumpe (direkt) an das Inspirationsventil befestigt ist, vorzugsweise über ein Kupplungselement, sodass insbesondere die erfindungsgemäße Anordnung baueinheitlich ausgebildet sein kann. Alternativ kann die Steuerdruckquelle auch über einen Schlauch (insbesondere Pumpenschlauch) mit der Steuerdruckkammer verbunden sein.
  • Gemäß einem weiteren Vorteil kann vorgesehen sein, dass das Übertragungsmittel über das Verbindungselement fest mit dem Verschlusselement verbunden ist, um vorzugsweise bei dem Anstieg des Kammerdrucks, insbesondere bei einem aufgrund eines Ausatmungsvorgangs stattfindenden Druckanstiegs eines Atemwegsdrucks (in der Druckkammer), das Verschlusselement von der Offenstellung in die Schließstellung zu bewegen und nach der Bewegung und/oder in der Ausgangslage des Übertragungsmittels geschlossen in der Schließstellung zu halten. In anderen Worten kann das Übertragungsmittel dazu ausgeführt sein, den Druckanstieg des Kammerdrucks in eine Kraft zur Bewegung des Verschlusselements umzuwandeln, um diese Kraft als eine steigende schließende Kraft auf das Verschlusselement auszuüben, insbesondere, wenn auf das Übertragungsmittel der Druckanstieg des Kammerdrucks auf Grund der vom Patienten kommenden Ausatemluft in der Druckkammer ausgeübt wird.
  • Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Übertragungsmittel in der Form einer Membran ausgebildet ist, vorzugsweise um eine Bewegung des Verschlusselements, und insbesondere die kraftübertragende Kopplung, durch eine mechanische Auslenkung der Membran in Abhängigkeit von einem Anstieg des Steuerdrucks und/oder Kammerdrucks bereitzustellen, wobei bevorzugt die Membran zur Übertragung der Auslenkung an das Verschlusselement über das Verbindungselement mit dem Verschlusselement verbunden ist. Die Nutzung einer Membran kann hierbei eine konstruktiv einfache und zuverlässige Möglichkeit zur kraftübertragenen Kopplung der Druckkammer mit dem Verschlusselement bieten. Damit kann das Inspirationsventil so ausgebildet sein, dass der steigende Kammerdruck über die Membran eine steigende, schließende Kraft auf das Inspirationsventil ausübt. Der steigende Kammerdruck führt somit nicht zu einem Öffnen des Inspirationsventils (also der Inspirationsöffnung durch das Verschlusselement), was den Kammerdruck weiter erhöhen könnte, sondern zu einem Schließen. Damit kann das Inspirationsventil selbstständig den Kammerdruck ausregeln, und die Sicherheit beim Betrieb erhöht werden.
  • Die Membran kann außerdem im relevanten Druckbereich, z. B. bei einem Beatmungssystem im Bereich von 0 mbar bis ca. 100 mbar, so flexibel sein, dass sich die Mitte der Membranfläche um einen Stellweg verschieben lässt, der zum Öffnen des Verschlusselementes des Inspirationsventils benötigt wird, bspw. um einen Stellweg im Bereich von 0,1 mm bis 3 mm (Millimeter).
  • Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung optional möglich, dass das Übertragungsmittel dazu ausgeführt ist, bei ausbleibenden Steuerdruck (d. h. insbesondere ohne eine Bereitstellung des Steuerdrucks durch die Steuerdruckquelle bzw. Pumpe) in der Ausgangslage eine Funktionalität eines normal geschlossenen Inspirationsventils bereitzustellen. Auf diese Weise kann konstruktiv einfach und mit geringem technischem Aufwand die Sicherheit erhöht werden.
  • Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuerdruckquelle als eine Pumpe und insbesondere die Pumpe als eine Piezopumpe ausgestaltet ist, vorzugsweise um den Steuerdruck beim einem Ausatmungsvorgang des Patienten im Bereich von 0 mbar bis 3 mbar, vorzugsweise auf 0 mbar, einzustellen.
  • Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Kontrollvorrichtung für eine automatische Steuerung und/oder Regelung des Durchflusses vorgesehen ist, um den Steuerdruck zur Bewegung des Verschlusselements in Richtung der Offenstellung zu bestimmen, und um insbesondere den Steuerdruck konkurrierend zu dem Kammerdruck in der Druckkammer bereitzustellen, sodass vorzugsweise die Bewegung des Verschlusselements von einem Verhältnis des Steuerdrucks und des Kammerdrucks abhängig ist. Dies hat den Vorteil, dass die Anordnung sicher und zuverlässig zur Beatmung geregelt werden kann.
  • Die Kontrollvorrichtung kann ferner optional dazu ausgeführt sein, die Regelung derart durchzuführen, dass sich das Inspirationsventil am Anfang eines Einatmungsvorgangs besonders weit öffnet, sodass ein im Rahmen der Regelung vorgegebener Solldruck und/oder eine Soll-Druckdifferenz in der Druckkammer schnell erreicht werden kann. An Stelle einer Druckdifferenz kann auch von einem Gasflow bzw. Gasdurchfluss oder Volumenstrom gesprochen werden, der die Druckdifferenz beim Vorbeiströmen hervorruft.
  • Druckerhöhungen aufgrund von Husten beim Einatmen können bspw. schnell ausgeregelt werden, indem das Inspirationsventil kurzzeitig geschlossen wird durch eine Druckrücknahme in der Steuerdruckkammer.
  • Alternativ zur Regelung kann optional auch eine ausschließliche Steuerung durch die Kontrollvorrichtung bereitgestellt werden.
  • Insbesondere für eine periodische Steuerung kann das Inspirationsventil periodisch mit dem Steuerdruck angesteuert werden. In einer ersten Phase, d. h. beim Einatmen, kann das Inspirationsventil z. B. mit einem Steuerdruck im Bereich von 10 mbar bis 30 mbar angesteuert werden, insbesondere im Bereich von 15 bis 25 mbar. In einer zweiten Phase, d. h. beim Ausatmen, kann das Inspirationsventil mit einem geringeren Steuerdruck als in der ersten Phase, angesteuert werden, vorzugsweise mit einem Steuerdruck von 0 mbar, d. h. das Inspirationsventil ist in seinem „Normalzustand“, d.h. geschlossen. Die Steuerung kann ggf. ohne Verwendung der oben angesprochenen Regelung verwendet werden. Alternativ ist eine Überlagerung mit der Regelung möglich.
  • Von weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass eine Hilfsdruckkammer mit einer Beatmungsöffnung zur Weiterleitung des bereitgestellten Atemgases an den Patienten vorgesehen ist, wobei die Hilfsdruckkammer über eine Blendenöffnung fluidkommunizierend mit der Druckkammer verbunden ist, und wobei vorzugsweise wenigstens eine Sensoranordnung vorgesehen ist, um eine zwischen der Hilfsdruckkammer und der Druckkammer herrschende Ist-Druckdifferenz zu erfassen, wobei die Kontrollvorrichtung dazu ausgeführt ist, eine Regelabweichung einer Soll-Druckdifferenz zwischen der Hilfsdruckkammer und der Druckkammer und der erfassten Ist-Druckdifferenz zu ermitteln, um in Abhängigkeit von der Regelabweichung den Steuerdruck zu bestimmen. Damit kann die Regelung weiter verbessert werden.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Beatmungssystem zum Beatmen eines Patienten mittels eines Atemgases, aufweisend zumindest:
    • - eine Gasquelle zur Bereitstellung des Atemgases,
    • - eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Inspirationsventil, wobei vorzugsweise das Inspirationsventil als ein normal geschlossenes Inspirationsventil ausgebildet ist,
    • - ein Exspirationsventil, welches vorzugsweise als ein normal geöffnetes Exspirationsventil ausgebildet ist.
  • Damit bringt das erfindungsgemäße Beatmungssystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Anordnung beschrieben worden sind.
  • Vorteilhafterweise ist das normal geöffnete Exspirationsventil dadurch gekennzeichnet, dass dieses durch einen (weiteren) Steuerdruck für das Exspirationsventil geschlossen wird, und andernfalls bei Ausbleiben des (weiteren) Steuerdrucks geöffnet ist.
  • Das Inspirationsventil kann optional in einem Ventilblock für das Beatmungssystem, insbesondere für ein Beatmungsgerät oder ein Narkosegerät, verwendet werden. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Anordnung auch baueinheitlich ausgebildet sein. Das Beatmungssystem führt bspw. das Atemgas als ein Atemgasgemisch aus Sauerstoff und Stickstoff zu, bspw. 79 Volumenprozent Stickstoff und 21 Volumenprozent Sauerstoff. Bei einem Narkosegerät werden dem Atemgasgemisch noch betäubende chemische Substanzen zugesetzt.
  • Ein Ventilblock bildet vorteilhafterweise ein Gehäuse um das Inspirationsventil und schützt es vor Verschmutzung und anderen Umwelteinflüssen. Wesentliche Teile des Inspirationsventils können ggf. von dem Ventilblock getragen werden.
  • Es kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass das Beatmungssystem derart ausgeführt ist, dass ein steigender Druck einer Ausatemluft des Patienten zu einer Erhöhung des Kammerdrucks und in Folge zu einer Ausübung einer steigenden schließenden Kraft auf das Verschlusselement führt. Damit kann die Schließfunktion des Inspirationsventils verstärkt werden. Das Inspirationsventil ist insbesondere beim Ausatmen des Patienten geschlossen, wenn kein Steuerdruck anliegt. Hustenereignisse beim Einatmen oder auch beim Ausatmen können so ebenfalls zu einem Schließen des Inspirationsventils führen bzw. das Schließen zusätzlich zu einer Regelung (closed loop) oder Steuerung (open loop) unterstützen.
  • Es ist ferner möglich, dass das Inspirationsventil einen Verschlussrand aufweist, an dem das Verschlusselement in der Schließstellung des Inspirationsventils angelegt wird.
  • Ein Fluid, insbesondere das Atemgas, das durch das Inspirationsventil in die Druckkammer geleitet wird, kann einen Druck im Bereich von 30 mbar bis 200 mbar haben, vorzugsweise im Bereich von 40 mbar bis 150 mbar. Für die genannten Druckverhältnisse und das genannte Flächenverhältnis kann sich eine optimale Arbeitsweise des Inspirationsventils ergeben, wobei dem Druck des einzuleitenden Fluids beim Öffnen des Inspirationsventils entgegengewirkt wird. Für die selbst stabilisierende Funktion des Inspirationsventils ist der Druck des einzuleitenden Fluids dahingehend relevant, dass er ebenfalls das Schließen unterstützt.
  • Es kann ferner eine Beatmungsöffnung eines Ventilblocks vorgesehen sein, um Ausatemluft in die Druckkammer einzuleiten und in der Druckkammer einen Atemwegsdruck zu erzeugen, wobei der Atemwegsdruck vorzugsweise im Bereich von 30 mbar bis 200 mbar liegt. Dieser Atemwegsdruck kann ferner den Kammerdruck ausbilden (erzeugen oder beeinflussen).
  • Der Ventilblock kann vorzugsweise das Exspirationsventil aufweisen, insbesondere ein normal geöffnetes Exspirationsventil, vorzugsweise ein Exspirationsventil mit einer Piezopumpe, die innerhalb von Millisekunden und damit schnell angesteuert werden kann. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Exspirationsventil beim Einatmen geschlossen wird. Das Exspirationsventil kann optional zusätzlich zu dem Inspirationsventil zum Regeln einer Druckdifferenz verwendet werden, indem eine zwischen einer bzw. der Hilfsdruckkammer und der Druckkammer herrschende Ist-Druckdifferenz mit mindestens einer Sensoranordnung erfasst wird, insbesondere unter Verwendung einer Blende, die vorzugsweise zwischen Hilfsdruckkammer und der Druckkammer angeordnet ist.
  • Eine Kontrollvorrichtung kann eine Verarbeitungseinheit wie einen Mikroprozessor und/oder ein Prozessor aufweisen, um die Steuerung und/oder Regelung durchzuführen. Hierzu kann die Verarbeitungseinheit z. B. Programmbefehle eines Steuer- und/oder Regelungsprogramms abarbeiten.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Inspirationsventils eines Beatmungssystems, bei welchem die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:
    • - Initiieren, insbesondere durch eine Gasquelle, eines Durchflusses eines Atemgases durch eine Inspirationsöffnung des Inspirationsventils in eine Druckkammer, um das Atemgas in der Druckkammer zum Beatmen eines Patienten bereitzustellen,
    • - Bereitstellen eines Verschlusselements des Inspirationsventils, welches beweglich angeordnet ist, um die Inspirationsöffnung für den Durchfluss in einer Schließstellung zu verschließen und in einer Offenstellung zumindest teilweise freizugeben,
    • - Bereitstellen eines, insbesondere mechanischen, Übertragungsmittels des Inspirationsventils, welches über ein, insbesondere mechanisches, Verbindungselement mit dem Verschlusselement verbunden ist, um das Verschlusselement in einer Ausgangslage des Übertragungsmittels in der Schließstellung zu halten, vorzugsweise sodass das Inspirationsventil als ein normal geschlossenes Inspirationsventil für das Beatmungssystem bereitgestellt ist,
    • - Bereitstellen einer Steuerdruckquelle, vorzugsweise Pumpe, zur Bereitstellung eines Steuerdrucks in einer Steuerdruckkammer für das Übertragungsmittel, um das Übertragungsmittel durch den Steuerdruck, insbesondere durch eine Erhöhung des Steuerdrucks, aus der Ausgangslage zu bewegen, wobei das Übertragungsmittel zur kraftübertragenden Kopplung der Druckkammer mit dem Verschlusselement ausgebildet ist, sodass bei einem Anstieg eines Kammerdrucks in der Druckkammer das Verschlusselement, außerhalb der Ausgangslage des Übertragungsmittels, und insbesondere gegen den Steuerdruck, in Richtung der Schließstellung bewegt wird.
  • Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Anordnung beschrieben worden sind. Zudem kann das Verfahren geeignet sein, eine erfindungsgemäße Anordnung zu betreiben.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich, als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
  • Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 eine schematische Darstellung von Teilen einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Offenstellung,
    • 2 eine schematische Darstellung von Teilen einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schließstellung,
    • 3 eine schematische Darstellung von Teilen eines erfindungsgemäßen Beatm u ngssystems,
    • 4 eine schematische Darstellung von Teilen einer erfindungsgemäßen Anordnung,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Exspirationsventils eines erfindungsgemäßen Beatmungssystems,
    • 6 eine schematische Darstellung von Teilen eines erfindungsgemäßen Beatmungssystems,
    • 7 einen Verlauf des Patientenatemdrucks, der Position der Membran des Inspirationsventils und der Position der Membran des Exspirationsventils über die Zeit,
    • 8 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Stellgrößen für den Steuerdruck des Inspirationsventils und des Exspirationsventils,
    • 9 einen weiteren beispielhaften zeitlichen Verlauf von Stellgrößen für den Steuerdruck des Inspirationsventils und des Exspirationsventils,
    • 10 einen weiteren beispielhaften zeitlichen Verlauf von Stellgrößen für den Steuerdruck des Inspirationsventils und des Exspirationsventils.
  • Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In den 1 bis 3 sind jeweils Teile einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 gezeigt. Die Anordnung 1 umfasst ein Inspirationsventil 10 für ein Beatmungssystem 100. Es ist eine Inspirationsöffnung 11 des Inspirationsventils 10 für einen Durchfluss 301 eines Atemgases 300 in eine Druckkammer 110 vorgesehen, um das Atemgas 300 in der Druckkammer 110 zum Beatmen eines Patienten 200 bereitzustellen. Außerdem ist ein Verschlusselement 12 des Inspirationsventils 10 beweglich angeordnet, um die Inspirationsöffnung 11 für den Durchfluss 301 in einer Schließstellung 320 zu verschließen und in einer Offenstellung 310 zumindest teilweise freizugeben. Die Offenstellung 310 ist in 1 und die Schließstellung 320 in 2 schematisch visualisiert.
  • In den 4 und 6 ist die erfindungsgemäße Anordnung 1 gemäß der Offenstellung 310 mit weiteren Einzelheiten dargestellt.
  • Ferner ist ein mechanisches Übertragungsmittel 13 des Inspirationsventils 10 vorgesehen, welches über ein mechanisches Verbindungselement 14 mit dem Verschlusselement 12 verbunden ist, um das Verschlusselement 12 in einer Ausgangslage des Übertragungsmittels 13 in der Schließstellung 320 zu halten, vorzugsweise sodass das Inspirationsventil 10 als ein normal geschlossenes Inspirationsventil 10 für das Beatmungssystem 100 bereitgestellt ist.
  • Eine Steuerdruckquelle 130 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen konkret als eine Pumpe 130 ausgebildet, wobei die Ausführungen hinsichtlich dieser Ausführungsbeispiele nicht auf diese konkrete Ausbildung beschränkt sind. Die Pumpe 130 kann zur Bereitstellung eines Steuerdrucks PS in einer Steuerdruckkammer 15 für das Übertragungsmittel 13 genutzt werden, um das Übertragungsmittel 13 durch den, insbesondere durch eine Erhöhung des, Steuerdruck(s) PS aus der Ausgangslage zu bewegen. Dabei kann das Übertragungsmittel 13 zur kraftübertragenden Kopplung der Druckkammer 110 mit dem Verschlusselement 12 ausgebildet sein, sodass bei einem Anstieg eines Kammerdrucks PK in der Druckkammer 110 das Verschlusselement 12, außerhalb der Ausgangslage des Übertragungsmittels 13, und insbesondere gegen den Steuerdruck PS, in Richtung der Schließstellung 320 bewegt wird. In 4 und 6 ist erkennbar, dass das Übertragungsmittel 13 hierzu angrenzend zur Druckkammer 110 angeordnet sein kann, sodass der Kammerdruck PK auf die erste Fläche S1 des Übertragungsmittels 13 wirken kann. Hierzu ist bspw. eine Öffnung des Inspirationsventils 10 vorgesehen, um das Übertragungsmittel 13 dem Kammerdruck PK auszusetzen. Die erste Fläche S1 kann dabei zur Beaufschlagung mit dem Kammerdruck PK aus der Druckkammer 110 dienen, um den Anstieg des Kammerdrucks PK in eine steigende Kraft zur Bewegung des Verschlusselements 12 in Richtung der Schließstellung 320 zu übertragen, und somit zur kraftübertragenden Kopplung.
  • Neben der ersten Fläche S1 kann das Übertragungsmittel 13 ferner eine zweite Fläche S2 zur Beaufschlagung mit dem Steuerdruck PS aus der Steuerdruckkammer 15 aufweisen, um einen Anstieg des Steuerdrucks PS in eine steigende Kraft zur Bewegung des Verschlusselements 12 in Richtung der Offenstellung 310 zu übertragen. Es ist in 4 und 6 dargestellt, dass das Übertragungsmittel 13 auch hierzu angrenzend zur Steuerdruckkammer 15 angeordnet sein kann. Darüber hinaus kann das Übertragungsmittel 13 auch dazu dienen, die Steuerdruckkammer 15 von der Druckkammer 110 abzutrennen, vorzugsweise fluiddicht abzutrennen. Hierzu kann das Übertragungsmittel 13 eine Abgrenzung der Steuerdruckkammer 15 bilden, ggf. zusammen mit weiteren Wandungen der Steuerdruckkammer 15. Diese weiteren Wandungen sind bspw. in der Form eines Elastomers ausgeführt.
  • Vorzugsweise können die erste und zweite Fläche S1, S2 gegenüberliegend angeordnet sein, als die Flächen auf den gegenüberliegenden Seiten des Übertragungsmittels 13, um den Anstieg des Kammerdrucks PK und Steuerdrucks PS in mechanische Auslenkungen des Übertragungsmittels 13 in entgegengesetzte Richtungen zu übertragen. Das Verschlusselement 12 kann dabei zum Verschließen der Inspirationsöffnung 11 in der Schließstellung 320 eine Verschlusselementfläche S3 aufweist, wobei das Flächenverhältnis der Verschlusselementfläche S3 zur ersten Fläche S1 im Bereich von 0,25 bis 1, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 0,75, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 0,6 liegt. Dagegen kann ein Flächeninhalt der zweiten Fläche S2 einem Flächeninhalt der ersten Fläche S1 entsprechen oder maximal 10 Prozent davon abweichen.
  • Das Übertragungsmittel 13 kann über das Verbindungselement 14 fest mit dem Verschlusselement 12 verbunden sein, um bei dem Anstieg des Kammerdrucks PK, insbesondere bei einem aufgrund eines Ausatmungsvorgangs stattfindenden Druckanstiegs eines Atemwegsdrucks PAW, das Verschlusselement 12 von der Offenstellung 310 in die Schließstellung 320 zu bewegen und nach der Bewegung und/oder in der Ausgangslage des Übertragungsmittels 13 geschlossen in der Schließstellung 320 zu halten.
  • Außerdem kann das Übertragungsmittel 13 in der Form einer Membran 13, insbesondere einer Druck-Membran, ausgebildet sein, vorzugsweise um eine Bewegung des Verschlusselements 12, und insbesondere die kraftübertragende Kopplung, durch eine mechanische Auslenkung der Membran 13 in Abhängigkeit von einem Anstieg des Steuerdrucks PS und/oder Kammerdrucks PK bereitzustellen, wobei die Membran 13 zur Übertragung der Auslenkung an das Verschlusselement 12 über das Verbindungselement 14 mit dem Verschlusselement 12 verbunden ist.
  • Gemäß den Darstellungen in 4 und 6 ist das Übertragungsmittel 13 dazu ausgeführt, bei ausbleibenden Steuerdruck PS, d. h. ohne eine Bereitstellung des Steuerdrucks SP, in der Ausgangslage eine Funktionalität eines normal geschlossenen Inspirationsventils bereitzustellen.
  • Es kann außerdem gemäß 6 eine Kontrollvorrichtung 150 für eine automatische Steuerung und/oder Regelung des Durchflusses 301 vorgesehen sein, um den Steuerdruck PS zur Bewegung des Verschlusselements 12 in Richtung der Offenstellung 310 zu bestimmen, und um insbesondere den Steuerdruck PS konkurrierend zu dem Kammerdruck PK in der Druckkammer 110 bereitzustellen, sodass vorzugsweise die Bewegung des Verschlusselements 12 von einem Verhältnis des Steuerdrucks PS und des Kammerdrucks PK abhängig ist. Außerdem ist hierbei eine Hilfsdruckkammer 140 mit einer Beatmungsöffnung 141 zur Weiterleitung des bereitgestellten Atemgases 300 an den Patienten 200 vorgesehen, wobei die Hilfsdruckkammer 140 über eine Blendenöffnung 142 fluidkommunizierend mit der Druckkammer 110 verbunden ist, und wobei wenigstens eine Sensoranordnung 120 vorgesehen ist, um eine zwischen der Hilfsdruckkammer 140 und der Druckkammer 110 herrschende Ist-Druckdifferenz dP zu erfassen, wobei die Kontrollvorrichtung 150 dazu ausgeführt ist, eine Regelabweichung einer Soll-Druckdifferenz zwischen der Hilfsdruckkammer 140 und der Druckkammer 110 und der erfassten Ist-Druckdifferenz dP zu ermitteln, um in Abhängigkeit von der Regelabweichung den Steuerdruck PS zu bestimmen.
  • In 3 und 6 sind Teile eines erfindungsgemäßen Beatmungssystems 100 zum Beatmen eines Patienten 200 mittels eines Atemgases 300 gezeigt, wobei das Beatmungssystem 100 eine Gasquelle 250 zur Bereitstellung des Atemgases 300, eine erfindungsgemäße Anordnung 1 mit einem Inspirationsventil 10 in der Form eines normal geschlossenen Inspirationsventils 10 und ein normal geöffnetes Exspirationsventil 20 aufweist.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung werden weitere beispielhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung 1 bzw. des erfindungsgemäßen Beatmungssystems 100 beschrieben, welche eine optionale Weiterentwicklung der vorgenannten Ausführungen der Erfindung darstellen.
  • Gemäß 3 kann das Beatmungssystem 100 auch z. B. in der Form eines Beatmungsgeräts 100 oder Narkosegeräts vorliegen. Ein Ventilblock 2 als Teil des Beatmungssystems 100 kann dabei zumindest nachfolgende Teile aufweisen, und ggf. baueinheitlich zusammenfassen:
    • - das Inspirationsventil 10,
    • - die Druckkammer 110, insbesondere in der Form einer Hauptdruckkammer, und
    • - das Exspirationsventil 20.
  • Herkömmlicherweise sind dabei das Inspirationsventil 10 und das Exspirationsventil 20 als normal geöffnete Ventile ausgeführt, d.h. ohne Beaufschlagung mit Druck oder anderer Energie geöffnet. Auch ein solches herkömmliches Inspirationsventil 10 hat ggf. die volle Funktionalität. Jedoch entspricht das Regelungsverhalten dann nicht dem eines selbst stabilisierenden Druckreglers. Erfindungsgemäß kann das Inspirationsventil 10 von dieser Ausführung abweichen.
  • Für das Inspirationsventil 10 kann ein Einlass 16 vorgesehen sein, der über einen Schlauch mit einer Gasversorgung einer Gasquelle 250 verbunden ist. Entsprechend kann für das Exspirationsventil 20 ein Auslass 26 vorgesehen sein, welcher optional an einen Exspirationsschlauch angeschlossen werden kann.
  • Der Ventilblock 2 kann außerdem die Beatmungsöffnung 141 aufweisen. An der Beatmungsöffnung 141 kann eine Beatmungsmaske oder ein Tubus angeschlossen werden, mit dem der Patient 200 beatmet wird.
  • Wie in 4 gezeigt ist, kann das Verschlusselement 12 in einem glockenförmig ausgebildetes Halterungselement 17 gehalten sein, wobei ein am Boden des Halterungselementes 17 ausgebildeter umlaufender Verschlussrand 18 die Inspirationsöffnung 11 für das Atemgas 300 zum Durchtritt in die Druckkammer 110 des Ventilblocks 2 ausbildet. Das Atemgas 300 kann durch die Gasquelle 250 bereitgestellt sein. Ferner kann der Kammerdruck PK im gezeigten Beispiel dem Atemwegsdruck PAW entsprechen. Der Kammerdruck PK kann beim Einatmen durch den Druck des Atemgases 300 und beim Ausatmen durch den Ausatmungsdruck des Patienten 200 bestimmt werden.
  • Darüber hinaus ist die Verschlusselementfläche S3 des Verschlusselements 1 gezeigt. Eine vom Verschlussrand 18 umfasste Fläche, nachfolgend auch als Kraterfläche bezeichnet, kann dabei ungefähr dem Flächeninhalt der Verschlusselementfläche S3 entsprechen.
  • Das Übertragungsmittel 13 kann zwei gegenüberliegende Seiten aufweisen, mit einer ersten Flächen S1 und - gegenüberliegend - einer zweiten Fläche S2. Die erste Fläche S1 kann dabei der Druckkammer 110 zugewandt sein, um mit dem Kammerdruck PK beaufschlagt zu werden. Die zweite Fläche S2 kann der Steuerdruckkammer 15 zugewandt sein, um mit dem Steuerdruck PS beaufschlagt zu werden. Dann wirkt auf die Fläche S1 als Außenseite des Übertragungsmittels 13 der Kammerdruck PK, und kann abhängig vom Verhältnis des Kammerdrucks PK zum Steuerdruck PS eine mechanische Auslenkung des Übertragungsmittels 13 bewirken.
  • Das Verbindungselement 14 kann an einer Seite mit der Außenseite des Übertragungsmittels 13 an der erste Fläche S1 verbunden sein, und an einer gegenüberliegenden Seite mit dem Verschlusselement 12 verbunden sein. Damit ermöglichst es das Verbindungselement 14, die mechanische Auslenkung des Übertragungsmittels 13 in eine Bewegung des Verschlusselements 12 zu übertragen. Somit ergibt sich eine Übertragung eines Anstiegs des Kammerdrucks PK in die Auslenkung des Übertragungsmittels 13, und der Auslenkung des Übertragungsmittels 13 in die Bewegung des Verschlusselements 12 in Richtung der Schließstellung 320.
  • Der Pfeil 301 zeigt den Durchfluss 301 des Atemgases 300 in der Art eines Gasstromes beim Einatmen. Zunächst strömt das Atemgas 300 auf diese Weise in die Druckkammer 110, und dann zum Patienten 200. Um zumindest den Durchfluss 301 für eine Beatmung des Patienten 200 zu kontrollieren, kann eine Steuerung und/oder Regelung des Inspirationsventils 10 vorgesehen sein. Das Inspirationsventil 10 hat den Vorteil, dass es für eine Beatmungssteuerung/ und/oder -regelung mit patientennahen, pneumatisch angetriebenen Ventilen 10, 20 mit stabilen Arbeitspunkten verwendet werden kann. Dies ermöglicht eine verbesserte Regelung eines konstanten Kammerdrucks PK, insbesondere Atemwegsdruck PAW, durch die optimierte Ventilgestaltung des Inspirationsventils 10.
  • Vorteilhafterweise ist dabei das Inspirationsventil 10 so aufgebaut, dass ein steigender Kammerdruck PK eine steigende, schließende Kraft auf das Inspirationsventil 10, insbesondere das Verschlusselement 12, ausübt. Damit kann das Inspirationsventil 10 selbstständig einen Kammerdruck PK ausregeln, der damit ein Druck-Äquivalent des Steuerdruckes PS der Pumpe 130 darstellt. Für langsame Druckeinstellungen wird dadurch nur noch eine langsame Regelung bzw. im Extremfall nur noch eine Steuerung ohne Rückführung des Kammerdrucks PK benötigt. In anderen Worten kann die Regelung des Inspirationsventils 10 zumindest teilweise durch das Inspirationsventil 10 selbst erfolgen.
  • Damit kann sich ein vorteilhaftes patientennahes NC (Normally Closed) Inspirationsventil 10 mit Steuerung oder Regelung für Beatmungszwecke ergeben, wobei patientennah bspw. bedeutet, dass der Abstand zum Patienten bspw. kleiner als 0,5 m bzw. 0,25 m (Meter) ist.
  • In 5 ist ein Exspirationsventil 20 (Ausatmungsventil) eines erfindungsgemäßen Beatmungssystems 100 gezeigt. Dieses kann einen Anschluss 21 zur Ausbildung einer Exspirationsöffnung 24 aufweisen, einen Verschluss 22 zum Verschließen der Exspirationsöffnung 24 sowie eine Kammerwand 23 zur Ausbildung einer Kammer für das Exspirationsventil 20. Die weitere Pumpe 130 (die zusätzlich zur Pumpe 130 für das Inspirationsventil 10 vorgesehen ist) kann einen Pumpendruck in der Kammer erzeugen, durch den der Verschluss an die Exspirationsöffnung 24 des Anschlusses 21 gedrückt wird und damit das Exspirationsventil 20 verschließt. Somit ist das Exspirationsventil 20 ein normal geöffnetes Ventil, d.h. NO (Normally Open). Bei geöffnetem Exspirationsventil 20 kann ein Ausatmungs-Luftstrom, der von dem Patienten 200 kommt, durch das Exspirationsventil 20 aus dem Ventilblock 2 nach außen in die Umgebungsluft oder in ein Rückführungssystem gelangen, das insbesondere bei Narkose-Beatmungssystemen 100 aber auch bei Beatmungsgeräten 100 ohne Narkosefunktion eingesetzt wird.
  • Beim Exspirationsventil 20 kann ein zu hoher Kammerdruck PK der Druckkammer 110 des Ventilblocks 2 zu einem Öffnungsvorgang führen, wodurch ein Entweichen des Atemgases 300 und damit eine Senkung Kammerdrucks PK ermöglicht wird. Das Exspirationsventil 20 ist damit ein selbstregulierendes Ventil, welches für eine höhere Dynamik trotzdem geregelt werden kann.
  • 6 betrifft eine weitere Ansicht eines erfindungsgemäßen Beatmungssystems 100 mit einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, welche ein Inspirationsventil 10 umfasst. Es ist gezeigt, dass der Ventilblock 2 die Druckkammer 110 bildet. Der Kammerdruck PK in der Druckkammer 110 kann einen Einfluss auf das Inspirationsventil 10 haben, indem der Kammerdruck PK das Übertragungsmittel 13 beaufschlagt. Ferner kann das Übertragungsmittel 13 auch, gegenläufig zum Kammerdruck PK, durch ein Steuerdruck PS beaufschlagt werden, welcher durch die Pumpe 130 zur Steuerung und/oder Regelung des Beatmungssystems 100, insbesondere des Inspirationsventils 10, erzeugt wird. Hierzu ist die Pumpe 130 über einen Pumpenschlauch 131 mit einer Steuerdruckkammer 15 fluidkommunizierend verbunden. Alternativ kann die Pumpe 130 an dem Inspirationsventil 10 befestigt sein, vorzugsweise über ein Kupplungselement, sodass insbesondere die erfindungsgemäße Anordnung 1 baueinheitlich ausgebildet sein kann. Die Ausführungen im Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel beziehen sich dabei auch auf diese Variante. Der Kammerdruck PK kann im gezeigten Beispiel einem Atemwegsdruck PAW im Wesentlichen entsprechen, ggf. mit einer Abweichung dp. Diese Abweichung stellt damit eine Ist-Druckdifferenz dP zwischen Atemwegsdruck PAW und Kammerdruck PK dar, welche optional für die Steuerung und/oder Regelung ausgewertet werden kann.
  • In 7 ist ein erstes Koordinatensystem 401 zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verlaufs des Atemwegsdrucks PAW über die Zeit t gezeigt. Des Weiteren ist ein zweites Koordinatensystem 402 zur Veranschaulichung eines Verlaufs der Stellung des Übertragungsmittels 13 des Inspirationsventils 10 über die Zeit t dargestellt. Wenn das Übertragungsmittel 13 als eine Membran 13 ausgeführt ist, kann die Stellung des Übertragungsmittels 13 in der Form eines Ausmaßes der Auslenkung des Übertragungsmittels 13 dargestellt werden. Die Stellung des Übertragungsmittels 13 korreliert dabei - und ist z. B. proportional - zur Stellung des Verschlusselements 12. Daher sind im zweitem Koordinatensystem 402 die Stellungen des Übertragungsmittels 13 gekennzeichnet, bei denen das Verschlusselement 12 sich in der Schließstellung 320 und in der Offenstellung 310 befindet. In einem dritten Koordinatensystem 403 ist der Verlauf eines Zustands des Exspirationsventils 20 über die Zeit t gezeigt. Der Verlauf beginnt dabei mit der geschlossenen Stellung 404 des Exspirationsventils 20 und geht über in die geöffnete Stellung 405 des Exspirationsventil 20.
  • Darüber hinaus sind in den Koordinatensystemen 401, 402, 403 die bei der Beatmung bzw. Regelung des Beatmungssystems 100 vorgesehenen Einatmungsphasen EP1, EP2 dargestellt, die sich mit den ebenfalls gezeigten Ausatmungsphasen AP1, AP2 periodisch abwechseln.
  • Der Verlauf des Atemwegsdrucks PAW kann dabei wie folgt vorgesehen sein: in den Einatmungsphasen EP1, EP2 befindet sich dieser auf einem ersten hohen Wert und in den Ausatmungsphasen AP1, AP2 auf einem im Vergleich zum ersten Wert geringeren Wert.
  • Der Verlauf der Stellung des Übertragungsmittel 13 des Inspirationsventils 10, und in gleicher Weise der Verlauf der Stellung des Verschlusselements 12, kann über die Zeit t wie erfolgen: In den Einatmungsphasen EP1, EP2 jeweils von einem ersten Positions-Wert (Offenstellung 310) auf einen im Vergleich zu dem ersten Wert höheren zweiten Wert (Schließstellung 320) ansteigend und in den Ausatmungsphasen AP1, AP2 auf einem höheren Wert verharrend, z. B. auf dem am Ende der Einatmungsphase EP1, EP2 erreichten Wert. Das Inspirationsventil 10 kann in anderen Worten am Anfang der Einatmungsphase EP1, EP2 weit geöffnet und dann mehr und mehr geschlossen werden, bis zum Ende der jeweiligen Einatmungsphase EP1, EP2 hin. Das bedeutet bei einem normal geschlossenen Inspirationsventil 10, dass in der Einatmungsphase EP1, EP2 der Steuerdruck PS am Anfang erhöht werden muss, um das Öffnen zu bewirken. Das Inspirationsventil 10 ist in den Ausatmungsphasen AP1 und AP2 geschlossen, sodass bei einem normal geschlossenen Inspirationsventil hier kein zusätzlicher Steuerdruck PS anzulegen ist.
  • Der Verlauf des Zustands des Exspirationsventils 20 über die Zeit t ist wie folgt dargestellt: In den Einatmungsphasen EP1, EP2 jeweils auf einem vergleichsweisen hohen ersten Wert (geschlossen 404) und in den Ausatmungsphasen AP1, AP2 vom Wert in den Einatmungsphasen EP1, EP2 ausgehend stark fallend auf einen kleinen Wert (offen 405) und danach vergleichsweise schnell wieder ansteigend.
  • Eine Zielvorgabe für den Atemwegsdruck PAW kann beim Einatmen bspw. ein konstanter Druck mit einem höheren Wert von bspw. 20 mbar oder 25 mbar. Beim Ausatmen kann die Zielvorgabe für den Atemwegsdruck PAW bspw. ebenfalls ein konstanter Druckwert, der jedoch viel geringer ist im Vergleich zu der Zielvorgabe beim Einatmen. Bspw. kann die Zielvorgabe beim Ausatmen bei 4 mbar bis 5 mbar liegen.
  • Um die in 7 gezeigten Verläufe zu steuern und/oder zu regeln, kann eine in 6 gezeigte Kontrollvorrichtung 150 vorgesehen sein. Diese kann hierzu z. B. die Pumpe 130 zur Steuerung des Inspirationsventils 10 und/oder die weitere Pumpe 130 zur Steuerung des Exspirationsventils 20 ansteuern. Um im Rahmen der Steuerung und/oder Regelung die Stellung des Verschlusselements 12 des Inspirationsventils 10 zu beeinflussen, kann die Pumpe 130 den Steuerdruck PS in einer Steuerdruckkammer 15 erzeugen, wie in 6 auch verdeutlicht wird. Die Pumpe 130 ist jeweils z. B. als eine Mikropumpe ausgeführt, insbesondere auf Basis einer Piezokeramik. Die notwendige Geschwindigkeit der Druckregelung bestimmt die Qualität der Druckregelung für die Beatmung und kann je nach Anforderungen kleiner als 10 ms (Millisekunden) sein und nicht über 50 ms liegen.
  • Außerdem kann die Hilfsdruckkammer 140 vorgesehen sein, welche angrenzend zur Druckkammer 110 (als Hauptdruckkammer 110) angeordnet ist. Die Hilfsdruckkammer 140 kann über die Blendenöffnung 142 mit der (Haupt-) Druckkammer 110 fluidkommunizierend zum Austausch des Atemgases 300 verbunden sein. Darüber hinaus kann die Beatmungsöffnung 141 der Hilfsdruckkammer 140 vorgesehen sein, um den Patienten 200 mit dem Atemgas 300 zu beatmen. Die Beatmungsöffnung 141 kann in einer Wand des Ventilblocks 2 ausgebildet sein. Durch die Beatmungsöffnung 141 kann das Atemgas 300 von der Hilfsdruckkammer 140 als Einatemgas zum Patienten 200 gelangen und als Ausatemgas vom Patienten 200 in die Hilfsdruckkammer 140 gelangen. Der Druck in der Hilfsdruckkammer 140 kann insbesondere dem Atemwegsdruck PAW entsprechen, und der Kammerdruck PK in der Druckkammer 110 dem Atemwegsdruck PAW mit einer Abweichung von dp.
  • Wichtige zu regelnde oder zu steuernde Beatmungsparameter bzw. Betriebsparameter sind bspw.:
    • - der Gasfluss (Flow),
    • - der Kammerdruck PK in der Druckkammer,
    • - die Konzentration von Kohlendioxid CO2, und
    • - die Konzentration von Sauerstoff O2.
  • Wie in 6 weiter gezeigt ist, kann für die Steuerung und/oder Regelung die Sensoranordnung 120 vorgesehen sein. Diese ist z. B. zumindest teilweise in der Druckkammer 110 oder - entsprechend dem gezeigten Ausführungsbeispiel - außerhalb, aber fluidkommunizierend mit der Druckkammer 110 gekoppelt, angeordnet. Die Sensoranordnung 120 umfasst insbesondere einen ersten Sensor 121 zur Erfassung des Atemwegsdruck PAW in der Hilfsdruckkammer 140 und einen zweiten Sensor 122 zur Erfassung der Durchflussmenge (Flow) zwischen der Hilfsdruckkammer 140 und der Druckkammer 110. Der zweite Sensor 122 kann auch als ein Differenzdrucksensor verstanden werden, welcher die Ist-Druckdifferenz dP zwischen der Druckkammer 110 und der Hilfsdruckkammer 140 erfasst. Der mit dem zweiten Sensor 122 als Ist-Druckdifferenz dP erfasste Druckabfall über der Blendenöffnung 142 korrespondiert dabei mit der durch die Blendenöffnung 142 strömenden Durchflussmenge. Die durch die Sensoren 121, 122 erfassten Werte können der Regelung zugeführt werden.
  • Die Regelung des Beatmungssystems 100 bzw. Inspirationsventils 10 kann zum Ziel haben, eine möglichst einfache, robuste, stabile und tolerante Druckregelung sicherzustellen. Die untenstehende Tabelle 1a zeigt beispielhafte Anforderungen an das Inspirationsventil 10.
    Phase Dynamik Position Eigenschaft
    1 Standby gering zu Gasverbrauch , Leckage erlaubt
    2 Standby/Stillstand/Neustart gering öffnet langsames Öffnen (Gewöhnen)
    Ph3 Beginn Inspiration hoch öffnet weites Öffnen für hohen Flow
    Ph4 Regelung Inspiration mittel offen - zu PAW vs. Pumpe
    Ph5 Beginn Exspiration mittel schließt leichter Querstrom
    Ph6 Regelung Exspiration mittel zu Ausgleich Maskenleckage
  • Die untenstehende Tabelle 1b zeigt beispielhafte Anforderungen an das Exspirationsventil 20.
    Phase Dynamik Position Eigenschaft
    1 Standby gering zu
    2 Standby/Stillstand/Neustart gering zu
    Ph3 Beginn Inspiration gering zu sicheres Schließen
    Ph4 Regelung Inspiration mittel zu evtl. Ausgleich bei PAW zu hoch (Husten)
    Ph5 Beginn Exspiration sehr hoch öffnet großer Querschnitt
    Ph6 Regelung Exspiration mittel offen - zu PAW vs. Pumpe
  • In 6 ist gezeigt, dass der zweite Sensor 122 über eine erste Fluidleitung 123 mit der Hilfsdruckkammer 140 und über eine zweite Fluidleitung 124 mit der (Haupt-) Druckkammer 110 verbunden sein kann. Auf diese Weise kann der zweite Sensor 122 die Ist-Druckdifferenz dP zwischen der Druckkammer 110 und der Hilfsdruckkammer 140 erfassen. Zudem zweigt eine dritte Fluidleitung 125 von der ersten Fluidleitung 123 ab und führt zu dem ersten Sensor 121. Dies ermöglicht die Erfassung des Atemwegsdrucks PAW durch den ersten Sensor 121. Um die bei der Erfassung ermittelten Informationen über die Ist-Druckdifferenz dP und den Atemwegsdruck PAW der Regelung zuzuführen, können die Sensoren 121, 122 zur Informationsübertragung mit der Kontrollvorrichtung 150 verbunden sein. Eine erste Kontrolleinheit 151 kann dabei die Informationen des ersten Sensors 121 erfassen, eine zweite Kontrolleinheit 152 kann die Informationen des zweiten Sensors 122 erfassen. Die erfassten Informationen können durch die Kontrollvorrichtung 150 ausgewertet werden, und entsprechend der Auswertung durch die Kontrollvorrichtung 150 die jeweilige Pumpe 130 des Inspirationsventils 10 und Exspirationsventils 20 angesteuert werden.
  • Bei dem Inspirationsventil 10 kann diese Ansteuerung dazu führen, dass die Pumpe 130, welche mit der Steuerdruckkammer 15 über einen Pumpenschlauch 131 verbunden ist, in der Steuerdruckkammer 15 einen Steuerdruck PS erzeugt. Das Inspirationsventil 10 kann konstruktiv so ausgelegt sein, dass ein Öffnen und Schließen des Inspirationsventils 10, d. h. des Verschlusselements 12, alleine durch die Druckverhältnisse zwischen dem Kammerdruck PK und dem Steuerdruck PS gegeben sein kann. Somit kann sich die Position des Übertragungsmittels 13, insbesondere Membran 13, so einstellen, dass sich ein Kräftegleichgewicht ausbildet. Ein Eingangsdruck von der Gasquelle 250, durch welchen der Durchfluss 301 des Atemgases 300 bewirkt wird, kann hierbei konstant bei z. B. 50 mbar liegen.
  • Stellt man sich Übertragungsmittel 13 ideal vor, also ohne eigene Kraft pro Weg und ohne Dämpfung (Kraft pro Geschwindigkeit), so wäre eine zusätzliche Regelung ggf. nicht nötig. Reale Übertragungsmittel 13 benötigen jedoch eine Kraft, um sich aus ihrer Nulllage heraus zu bewegen. Dieses entspricht einer Art Federkennlinie.
  • Ebenso können sehr schnelle Bewegungen durch die Dämpfung behindert sein. Die Gegenkräfte, die durch die Dämpfung entstehen, d. h. in der Regel durch Walken des Elastomers, führen ggf. zu einer Reduktion der Antriebskräfte und resultieren in einer Art Geschwindigkeitsbegrenzung. Sprunghafte Druckänderungen, die beispielsweise durch den Atemwegsdruck PAW (Husten) oder den Steuerdruck PS (Beginn Inspiration oder Exspiration) gefordert werden, können ggf. nur zu einer verlangsamten Bewegung des Übertragungsmittels 13 und damit zu einem nicht beliebig schnellen Ausgleich der Druckverhältnisse führen.
  • Aus diesem Grund ist es insbesondere sinnvoll, eine Regelung der Steuerdrücke vorzunehmen. Dadurch können wesentlich schnellere Ausgleichvorgänge möglich sein, als bei einer Steuerung ohne Rückführung des Atemwegsdrucks PAW. Der durch die Kontrollvorrichtung 150 bereitgestellte Regler kann hierbei ggf. lediglich mit dem Ausgleich von plötzlichen Ereignissen beschäftigt sein. Ein permanentes Nachregeln des instabilen Arbeitspunktes entfällt dann.
  • Wenn das Übertragungsmittel 13 als eine Membran ausgeführt ist, kann die Membranfläche beispielhaft einen Durchmesser von 20 mm aufweisen. Die Kraterfläche des Inspirationsventils 1 kann z. B. einen Durchmesser von 8 mm aufweisen. Das Verhältnis der Membranfläche zur Kraterfläche kann das Verhalten des Inspirationsventils 10 hinsichtlich des Schließens in Abhängigkeit vom Verhältnis des Kammerdrucks PK zum Steuerdruck PS beeinflussen. Dies wird beispielhaft an der nachfolgenden Formel verdeutlicht, wobei AM die Membranfläche, PEIN der Eingangsdruck von der Gasquelle und AK die Kraterfläche ist (PEIN bewirkt eine Kraft am Verschlusselement 12 in Richtung Schließstellung 320): AK * PEIN + AM * PAW=0 ( Kr a ¨ ftegleichgewicht ) ,
    Figure DE102019003643A1_0001
  • Durch Umstellen ergibt sich aus der Formel: PAW = PS − PEIN * AK / AM
    Figure DE102019003643A1_0002
    Mit PEIN = 50 mbar ergibt sich aus der Formel eine beispielhafte Sollgröße für den Atemwegsdruck PAW = 17mbar.
  • Die Kontrollvorrichtung 150 kann vorteilhafterweise dazu ausgeführt sein, ein schnelles Angleichen des Atemwegsdrucks PAW an eine derartige Sollgröße für den Atemwegsdruck PAW vorzunehmen. Entsprechend kann die Kontrollvorrichtung 150 dazu ausgeführt sein, mittels der Regelung den Steuerdruck PS so einzustellen, dass für den Patienten 200 der (gemäß der Sollgröße) vorgegebene Atemwegsdruck PAW eingestellt wird. Die Sollgröße kann sich im Verlauf der Beatmungszyklen, ggf. auch durch Interaktion mit dem Patienten 200, stark ändern. Damit ergibt sich ebenfalls die Anforderung an die Regelung, diese Störgrößen auszuregeln.
  • Durch die im gezeigten Beispiel vorgesehene Erfassung des zweiten Sensors 122 steht die Summe von Atemwegsdruck PAW + Ist-Druckdifferenz dP (also PAW+dp) zur Verfügung. Die Ist-Druckdifferenz dP kann hierbei positiv bei der Inspiration (Volumenstrom zum Patienten) und negativ bei der Exspiration sein.
  • In den 8 bis 10 ist zur weiteren Veranschaulichung jeweils eine beispielhafte Regelung gezeigt. Es ist dabei jeweils der zeitliche Verlauf (über die Zeit t) des Steuerdrucks PS gezeigt, welcher bei dem Inspirationsventil 10 durch die Pumpe 130 erzeugt wird. Ferner ist der zeitliche Verlauf eines weiteren Steuerdrucks PS' gezeigt, welche zur Ansteuerung des Exspirationsventils 20 dient. Darüber hinaus ist der zeitliche Verlauf des Atemwegsdrucks PAW (z. B: als vom erster Sensor 121 erfassten Ist-Wert des Atemwegsdrucks PAW) und der Durchflussmenge gemäß der Ist-Druckdifferenz dP gezeigt. Die Zeitachse umfasst z. B. den zeitlichen Bereich von 0 bis 12 Sekunden, wobei durch die vertikalen gestrichelten Linien 3-Sekunden-Abstände gekennzeichnet sind. Darüber hinaus sind erneut die Einatmungsphasen EP1, EP2 dargestellt, die sich mit den ebenfalls gezeigten Ausatmungsphasen AP1, AP2 periodisch abwechseln. Darüber hinaus sind die Teilphasen Ph3 bis Ph6 entsprechend der Tabellen 1a, 1b gekennzeichnet:
    • - Teilphase Ph3 - Beginn der Inspiration,
    • - Teilphase Ph4 - Regelung der Inspiration,
    • - Teilphase Ph5 - Beginn der Exspiration, und
    • - Teilphase Ph6 - Steuerung/Regelung der Exspiration.
  • In 8 ist eine beispielhafte Steuerung veranschaulicht, bei welcher der Steuerdruck PS für das Inspirationsventil 10 und der weitere Steuerdruck PS' für das Exspirationsventil 20 ohne Rückführung des Atemwegsdrucks PAW zur Kontrollvorrichtung 150 eingestellt werden.
  • Wenn anstelle einer Regelung eine Steuerung eingesetzt wird, kann der erste und zweite Sensor 122 und ggf. auch die Hilfsdruckkammer 140 nicht erforderlich sein.
  • Der zeitliche Verlauf des Steuerdrucks PS am Inspirationsventil 10 kann wie folgt gewählt werden: in den Einatmungsphasen EP1, EP2 zu bspw. 20 mbar und in den Ausatmungsphasen AP1, AP2 zu bspw. 0 mbar.
  • Bei der Verwendung der Steuerung (open loop) kann der zeitliche Verlauf des Weiteren Steuerdrucks PS' am Exspirationsventil 20 wie folgt gewählt werden: in den Einatmungsphasen EP1, EP2 zu bspw. 25 mbar und in den Ausatmungsphasen AP1, AP2 zu bspw. 4 mbar.
  • Der gezeigte zeitliche Verlauf des Volumenstroms, der sich in einer Ist-Druckdifferenz dP zeigt, ist für die Steuerung (open loop) ggf. nicht relevant.
  • In 9 ist eine beispielhafte Regelung veranschaulicht, bei welcher der Steuerdruck PS für das Inspirationsventil 10 und der weitere Steuerdruck PS' für das Exspirationsventil 20 ohne Rückführung des Atemwegsdrucks PAW zur Kontrollvorrichtung 150 eingestellt werden. Anders als beim in 8 gezeigten Beispiel kann hierbei allerdings im Rahmen der Regelung eine sogenannte „Flowkompensation“ zum Einsatz kommen. Dabei erfolgt durch die Kontrollvorrichtung 150 ein Ausregeln der Ist-Druckdifferenz dP. Entsprechend ergibt sich der zeitliche Verlauf des Steuerdrucks PS am Inspirationsventil 10 aus einer Überlagerung des (in 8 visualisierten) „gesteuerten“ Verlaufs und eines Regelungsanteils zum Ausregeln der Ist-Druckdifferenz dP.
  • Durch diese Überlagerung kann sich ferner am Anfang der Einatmungsphasen EP1, E2P jeweils ein Maximum des Steuerdrucks PS ergeben, das bspw. bei über 25 mbar liegt und bei dem das Inspirationsventil 10 besonders weit geöffnet ist, um den Atemwegsdruck PAW von 25 mbar schnell zu erreichen. Während der Ausatemphasen AP1, AP2 kann der Steuerdruck PS zur Betätigung des Inspirationsventils 10 weiterhin auf 0 mbar sein.
  • Der zeitliche Verlauf des Weiteren Steuerdrucks PS' am Exspirationsventil 20 entspricht insbesondere in den Einatmungsphasen EP1, EP2 dem anhand der 8 gezeigten Verlauf, da die Steuerung weiter vorhanden ist. In der Ausatmungsphase AP1 bzw. AP2 ist der Steuerung des Exspirationsventil 20 jedoch die Regelung der Ist-Druckdifferenz dP überlagert, wobei im Verlauf der Ist-Druckdifferenz dP ein Minimum auftritt. Zum möglichst schnellen Regeln der Ist-Druckdifferenz dP auf den Wert 0 mbar beim Ausatmen, kann das Exspirationsventil 20 durch Druckabbau stärker geöffnet werden als alleine von der Steuerung (open loop) vorgegeben. Es ergibt sich ein vom Wert 0 mbar etwa linear ansteigender Druckanstieg für den weiteren Steuerdruck PS' bis auf 4 mbar.
  • Der zeitliche Verlauf des Volumenstroms, der sich in der Ist-Druckdifferenz dP zeigt, ist wie folgt: in den Einatmungsphasen EP1, EP2 steigt die Ist-Druckdifferenz dP schnell auf ein Maximum 612 an, von dem aus sie dann etwa linear wieder bis auf 0 mbar Ist-Druckdifferenz dP am Ende der jeweiligen Einatmungsphase EP1, EP2 sinkt. In den Ausatmungsphasen AP1, AP2 kehrt sich der Volumenstrom bzw. Gasfluss um und ist nun vom Patienten 200 weggerichtet. Die Richtungsumkehr äußert sich in einem Wechsel des Vorzeichens der Ist-Druckdifferenz dP, die deshalb am Anfang der Ausatmungsphasen AP1, AP2 ein Minimum 616 schnell erreicht, um dann etwa linear auch unterstützt durch die Regelung auf den Wert 0 zu steigen.
  • In 10 ist eine beispielhafte Regelung veranschaulicht, bei welcher der Steuerdruck PS für das Inspirationsventil 10 und der weitere Steuerdruck PS' für das Exspirationsventil 20 mit Rückführung des Atemwegsdrucks PAW zur Kontrollvorrichtung 150 eingestellt werden. Ebenfalls kann hierbei eine Flowkompensation durch die Kontrollvorrichtung 150 vorgesehen sein. Der zeitliche Verlauf des Atemwegsdruck PAW wird dabei von einem Druckanstieg überlagert, welcher z. B. durch ein Hustenereignis auftreten kann (siehe Spitze in dem Verlauf bei der Teilphase Ph4). Die Regelung hat den Vorteil gegenüber der Steuerung, in verbesserter Weise auf einen solchen Druckanstieg eingehen zu können.
  • Der Druckanstieg des Atemwegsdrucks PAW führt ggf. auch zu einem Anstieg des Kammerdrucks PK in der Druckkammer 110. Die Kontrollvorrichtung 150 kann dazu ausgeführt sein, die Regelung hinsichtlich des Druckanstiegs wie nachfolgend durchzuführen:
    • - der Volumenstrom gemäß der Ist-Druckdifferenz dP kehrt sich plötzlich um, sodass ein Minimum in der Einatmungsphase EP1 entsteht (bei Teilphase Ph4). Die Regelung regelt anhand der Erfassung des zweiten Sensors 122 gegen und erzeugt einen Druckabfall an einem Minimum des Steuerdrucks SP für die Steuerdruckkammer 15 (ebenfalls bei Teilphase Ph4), welcher das Inspirationsventil 10 mehr schließt, was zu einer Drosselung des Durchflusses 301 und damit auch zu einem Druckabbau in der Druckkammer 110 führt, und/oder
    • - der erste Sensor 121 erfasst den durch das Hustenereignis beim Einatmen hervorgerufenen Druckanstieg des Atemwegsdrucks PAW ebenfalls. Die Regelung regelt durch Absenken des Weiteren Steuerdrucks PS' in einem Minimum (bei der Teilphase Ph4) gegen und öffnet damit das Exspirationsventil 20, was zu einem schnelleren Druckabbau in der Druckkammer 110 führt.
  • Es ist ersichtlich, dass ein Hustenereignis bei der Regelung (closed loop) auf diese Weise zuverlässig ausgeregelt werden kann.
  • Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anordnung, Ventilanordnung
    2
    Ventilblock
    10
    Inspirationsventil
    11
    Inspirationsöffnung
    12
    Verschlusselement
    13
    Übertragungsmittel, Membran
    14
    Verbindungselement
    15
    Steuerdruckkammer
    16
    Einlass
    17
    Halterungselement
    18
    Verschlussrand
    20
    Exspirationsventil
    21
    Anschluss von 20
    22
    Verschluss von 20
    23
    Kammerwand von 20
    24
    Exspirationsöffnung
    26
    Auslass
    100
    Beatmungssystem, Beatmungsgerät
    110
    Druckkammer
    120
    Sensoranordnung
    121
    erster Sensor, von 120
    122
    zweiter Sensor, von 120
    123
    erste Fluidleitung
    124
    zweite Fluidleitung
    125
    dritte Fluidleitung
    130
    Steuerdruckquelle, Pumpe
    131
    Pumpenschlauch
    140
    Hilfsdruckkammer
    141
    Beatmungsöffnung
    142
    Blendenöffnung
    150
    Kontrollvorrichtung
    151
    erste Kontrolleinheit von 150
    152
    zweite Kontrolleinheit von 150
    200
    Patient
    250
    Gasquelle
    300
    Atemgas
    301
    Durchfluss
    310
    Offenstellung
    320
    Schließstellung
    401
    erstes Koordinatensystem
    402
    zweites Koordinatensystem
    403
    drittes Koordinatensystem
    404
    geschlossene Stellung von 20
    405
    geöffnete Stellung von 20
    dP
    Ist-Druckdifferenz
    PAW
    Atemwegsdruck
    PK
    Kammerdruck
    PS
    Steuerdruck
    AP1
    erste Ausatmungsphase
    AP2
    zweite Ausatmungsphase
    EP1
    erste Einatmungsphase
    EP2
    zweite Einatmungsphase
    S1
    erste Fläche
    S2
    zweite Fläche
    S3
    Verschlusselementfläche
    PS'
    weiterer Steuerdruck

Claims (13)

  1. Anordnung (1) mit einem Inspirationsventil (10) für ein Beatmungssystem (100), aufweisend: - eine Inspirationsöffnung (11) des Inspirationsventils (10) für einen Durchfluss (301) eines Atemgases (300) in eine Druckkammer (110), um das Atemgas (300) in der Druckkammer (110) zum Beatmen eines Patienten (200) bereitzustellen, - ein Verschlusselement (12) des Inspirationsventils (10), welches beweglich angeordnet ist, um die Inspirationsöffnung (11) für den Durchfluss (301) in einer Schließstellung (320) zu verschließen und in einer Offenstellung (310) zumindest teilweise freizugeben, - ein Übertragungsmittel (13) des Inspirationsventils (10), welches über ein Verbindungselement (14) mit dem Verschlusselement (12) verbunden ist, um das Verschlusselement (12) in einer Ausgangslage des Übertragungsmittels (13) in der Schließstellung (320) zu halten, vorzugsweise sodass das Inspirationsventil (10) als ein normal geschlossenes Inspirationsventil (10) für das Beatmungssystem (100) bereitgestellt ist, - eine Steuerdruckquelle (130), insbesondere Pumpe (130), zur Bereitstellung eines Steuerdrucks (PS) in einer Steuerdruckkammer (15) für das Übertragungsmittel (13), um das Übertragungsmittel (13) durch den Steuerdruck (PS) aus der Ausgangslage zu bewegen, wobei das Übertragungsmittel (13) zur kraftübertragenden Kopplung der Druckkammer (110) mit dem Verschlusselement (12) ausgebildet ist, sodass bei einem Anstieg eines Kammerdrucks (PK) in der Druckkammer (110) das Verschlusselement (12), außerhalb der Ausgangslage des Übertragungsmittels (13), und insbesondere gegen den Steuerdruck (PS), in Richtung der Schließstellung (320) bewegt wird.
  2. Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (13) ferner aufweist: - eine erste Fläche (S1) zur Beaufschlagung mit dem Kammerdruck (PK) aus der Druckkammer (110), um den Anstieg des Kammerdrucks (PK) in eine steigende Kraft zur Bewegung des Verschlusselements (12) in Richtung der Schließstellung (320) zu übertragen, - eine zweite Fläche (S2) zur Beaufschlagung mit dem Steuerdruck (PS) aus der Steuerdruckkammer (15), um einen Anstieg des Steuerdrucks (PS) in eine steigende Kraft zur Bewegung des Verschlusselements (12) in Richtung der Offenstellung (310) zu übertragen, wobei vorzugsweise die erste und zweite Fläche (S1, S2) gegenüberliegend angeordnet sind, um den Anstieg des Kammerdrucks (PK) und Steuerdrucks (PS) in mechanische Auslenkungen des Übertragungsmittels (13) in entgegengesetzte Richtungen zu übertragen.
  3. Anordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (12) zum Verschließen der Inspirationsöffnung (11) in der Schließstellung (320) eine Verschlusselementfläche (S3) aufweist, wobei das Flächenverhältnis der Verschlusselementfläche (S3) zur ersten Fläche (S1) im Bereich von 0,25 bis 1, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 0,75, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 0,6 liegt.
  4. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächeninhalt der zweiten Fläche (S2) einem Flächeninhalt der ersten Fläche (S1) entspricht oder maximal 10 Prozent davon abweicht.
  5. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (13) über das Verbindungselement (14) fest mit dem Verschlusselement (12) verbunden ist, um bei dem Anstieg des Kammerdrucks (PK), insbesondere bei einem aufgrund eines Ausatmungsvorgangs stattfindenden Druckanstiegs eines Atemwegsdrucks (PAW), das Verschlusselement (12) von der Offenstellung (310) in die Schließstellung (320) zu bewegen und nach der Bewegung und/oder in der Ausgangslage des Übertragungsmittels (13) geschlossen in der Schließstellung (320) zu halten.
  6. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (13) in der Form einer Membran (13) ausgebildet ist, vorzugsweise um eine Bewegung des Verschlusselements (12), und insbesondere die kraftübertragende Kopplung, durch eine mechanische Auslenkung der Membran (13) in Abhängigkeit von einem Anstieg des Steuerdrucks (PS) und/oder Kammerdrucks (PK) bereitzustellen, wobei die Membran (13) zur Übertragung der Auslenkung an das Verschlusselement (12) über das Verbindungselement (14) mit dem Verschlusselement (12) verbunden ist.
  7. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (13) dazu ausgeführt ist, bei ausbleibenden Steuerdruck (PS) in der Ausgangslage eine Funktionalität eines normal geschlossenen Inspirationsventils bereitzustellen.
  8. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerdruckquelle (130) als eine Piezopumpe ausgestaltet ist, vorzugsweise um den Steuerdruck (PS) beim einem Ausatmungsvorgang des Patienten (200) im Bereich von 0 mbar bis 3 mbar, vorzugsweise auf 0 mbar, einzustellen.
  9. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrollvorrichtung (150) für eine automatische Steuerung und/oder Regelung des Durchflusses (301) vorgesehen ist, um den Steuerdruck (PS) zur Bewegung des Verschlusselements (12) in Richtung der Offenstellung (310) zu bestimmen, und um insbesondere den Steuerdruck (PS) konkurrierend zu dem Kammerdruck (PK) in der Druckkammer (110) bereitzustellen, sodass vorzugsweise die Bewegung des Verschlusselements (12) von einem Verhältnis des Steuerdrucks (PS) und des Kammerdrucks (PK) abhängig ist.
  10. Anordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsdruckkammer (140) mit einer Beatmungsöffnung (141) zur Weiterleitung des bereitgestellten Atemgases (300) an den Patienten (200) vorgesehen ist, wobei die Hilfsdruckkammer (140) über eine Blendenöffnung (142) fluidkommunizierend mit der Druckkammer (110) verbunden ist, und wobei wenigstens eine Sensoranordnung (120) vorgesehen ist, um eine zwischen der Hilfsdruckkammer (140) und der Druckkammer (110) herrschende Ist-Druckdifferenz (dP) zu erfassen, wobei die Kontrollvorrichtung (150) dazu ausgeführt ist, eine Regelabweichung einer Soll-Druckdifferenz zwischen der Hilfsdruckkammer (140) und der Druckkammer (110) und der erfassten Ist-Druckdifferenz (dP) zu ermitteln, um in Abhängigkeit von der Regelabweichung den Steuerdruck (PS) zu bestimmen.
  11. Beatmungssystem (100) zum Beatmen eines Patienten (200) mittels eines Atemgases (300), aufweisend: - eine Gasquelle (250) zur Bereitstellung des Atemgases (300), - eine Anordnung (1) mit einem Inspirationsventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Inspirationsventil (10) als ein normal geschlossenes Inspirationsventil (10) ausgebildet ist, - ein Exspirationsventil (20), welches als ein normal geöffnetes Exspirationsventil (20) ausgebildet ist.
  12. Verfahren zum Betreiben eines Inspirationsventils (10) eines Beatmungssystems (100), bei welchem die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: - Initiieren eines Durchflusses (301) eines Atemgases (300) durch eine Inspirationsöffnung (11) des Inspirationsventils (10) in eine Druckkammer (110), um das Atemgas (300) in der Druckkammer (110) zum Beatmen eines Patienten (200) bereitzustellen, - Bereitstellen eines Verschlusselements (12) des Inspirationsventils (10), welches beweglich angeordnet ist, um die Inspirationsöffnung (11) für den Durchfluss (301) in einer Schließstellung (320) zu verschließen und in einer Offenstellung (310) zumindest teilweise freizugeben, - Bereitstellen eines Übertragungsmittels (13) des Inspirationsventils (10), welches über ein Verbindungselement (14) mit dem Verschlusselement (12) verbunden ist, um das Verschlusselement (12) in einer Ausgangslage des Übertragungsmittels (13) in der Schließstellung (320) zu halten, vorzugsweise sodass das Inspirationsventil (10) als ein normal geschlossenes Inspirationsventil (10) für das Beatmungssystem (100) bereitgestellt ist, - Bereitstellen einer Steuerdruckquelle (130) zur Bereitstellung eines Steuerdrucks (PS) in einer Steuerdruckkammer (15) für das Übertragungsmittel (13), um das Übertragungsmittel (13) durch den Steuerdruck (PS) aus der Ausgangslage zu bewegen, wobei das Übertragungsmittel (13) zur kraftübertragenden Kopplung der Druckkammer (110) mit dem Verschlusselement (12) ausgebildet ist, sodass bei einem Anstieg eines Kammerdrucks (PK) in der Druckkammer (110) das Verschlusselement (12), außerhalb der Ausgangslage des Übertragungsmittels (13), und insbesondere gegen den Steuerdruck (PS), in Richtung der Schließstellung (320) bewegt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspirationsventil (10) gemäß einer Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder das Beatmungssystem (100) nach Anspruch 11 ausgebildet ist.
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