DE2314356A1

DE2314356A1 - Beatmungsgeraet

Info

Publication number: DE2314356A1
Application number: DE19732314356
Authority: DE
Inventors: Heini Dr Ernst; Albert Guenin
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1972-03-27
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1973-10-18
Also published as: JPS4913994A; FR2178057B3; DD105563A5; IT979627B; BE797297A; FR2178057A1; ES412991A1; NL7304255A; AU5295773A; IL41617A0; CH549392A; GB1432572A

Description

Die Erfindung betrifft ein Beatmungsgerät, insbesondere ein Beatmungsgerät, bei dem Fluss und Druck des Atmungsgases während Inspiration und Bxspiiation selbsttätig geregelt werden.

Beatmungsgeräte dienen dazu, bei Patienten mit fehlender oder ungenügender Spontanatmung die Atemfunktion zu ersetzen oder zu unterstützen. Ferner können Beatmungsgeräte zur Anästhe sie eingesetzt werden. *-

Bu/17.1-1973

Die üblichen Beatmungsgeräte Bind gesteuerte Systeme, d.h. ihr Funktionsablauf richtet sich nach fest vorgegebenen Eingangsgrössen. Eine Gruppe von bekannten Beatmungsgeräten umfasst die sogenannten druckgesteuerten Systeme, mit denen dem Patienten unter Druck stehendes Atmungsgas zugeführt wird, wobei ein Steuerungsventil die Atmungsgaszufuhr unterbricht,

3 09842/0388

2 1 1 Λ O K p

wenn in der zum Patienten führenden Leitung ein bestimmter vorgegebener Druck aufgebaut ist. Eine weitere Gruppe umfasst die sogenannten volumengesteuerten Systeme, durch die dem Patienten eine volumenmässig abgemessene Menge des Atemgases zugeführt wird. Beide Arten von Beatmungsgeräten haben einen Nachteil, der prinzipiell allen gesteuerten Systemen anhaftet: sie können auf

im voraus nicht erfassbare Aenderungen der Lungenmechanik nicht. ausgleichend reagieren.

Es wurden auch schon selbsttätig geregelte Beatmungsgeräte vorgeschlagen, die sich jeeoch aus verschiedenen Gründen nicht für einen breiten, routinemässigen Einsatz im Hospital eignen. Einer dieser Gründe besteht; beispielsweise darin, dass zur Messung der Regelgrösse komplizierte und damit einerseits teuere und andererseits störungesanfällige Einrichtungen erforderlich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein selbsttätig geregeltes Beatmungsgerät bereitzustellen, das von den Nachteilen bekannter Systeme frei ist und das sich aufgrund einfacher und billiger Herstellmöglichkeit für einer, breiten Einsatz eignet.

Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch ein Beatmungsgerät mit einer in unmittelbarer Nähe des Patientenanschlusses angeordneten Fluss- und Druckmesseinrichtung zur Erfassung des

309842/0388

ORIGINAL INSPECTED

23U356

Flusses und Druckes des Atmungsgases und Umwandlung dieser Parameter in elektrische Signale, einer zwischen der Atmungsgasquelle und der Fluss- und Druckmesseinrichtung angeordneten Ventilanordnung zur Steuerung von Fluss und Druck des Atmungsgases während Inspiration und Exspiration und einer mit der Messeinrichtung und der Ventilanordnung zusammen einen Regelkreis bildenden elektronischen Regeleinrichtung zum Vergleich der elektrischen Signale mit Sollwerten und zur Erzeugung eines die Ventilanordnung .beeinflussenden Stellsignals.

Im folgenden ist anhand der beiliegenden Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Blockdiagramm eines selbsttätig geregelten Beatmungsgerätes,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Regelventils, des Inspirations/Exspirationsventils und des Messkopfes im zusammengebauten Zustand, Fig. 3 das Regelventil, teilweise in der Ebene A-A geschnitten, Fig. 4 einen Längsschnitt entlang der Ebene B-B Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf den Messkopf Fig. 6 einen Ausschnitt aus Fig. 4 in grösserem Masstab Fig. 7 ein Blockdiagramm der elektronischen Regeleinrichtung Fig. 8 ein Blockdiagramm der Schaltung zur automatischen Nullstellung des Flussignals

Fig. 9 die Spannungsverlaufkurven an einigen Punkten der in Fig. 8 gezeigten Schaltung.

309842/0388

Das in Fig. 1 im Blockdiagramm und teilweise in Fig. 2 perspektivisch gezeigte Beatmungsgerät dient dazu, von einer (nicht gezeigten) Atmungsgasquelle kommendes Atmungsgas in einem bestimmten,der natürlichen Atmung ähnlichen Bhythmus einem Patienten 11 zuzuführen und von ihm abzuführen. Als Atmungsgasquelle kann entweder ein Druckgenerator oder ein zentrales Versorgungssystem, wie es in grösseren Hospitälern in der Regel installiert ist, dienen. Sie kann "beliebige verschiedene Gase bzw. Gasmischungen zur Verfügung stellen, beispielsweise reine Atmungsgase wie Luft, Sauerstoff, oder Mischungen mit Narkosegas, wie Aether, Lachgas etc. Das gelieferte Atmungsgas soll vorzugsweise einen Druck von 1,2 ata besit-zen. Ferner soll das Atmungsgas bezüglich Feuchtigkeit und Temperatur optimal auf die Bedürfnisse der Atmung abgestimmt sein, d.h. eine Temperatur von 37°C besitzen und zvFigo^S mit Wasser gesättigt sein. Die zu diesem Zweck erforderlichen Einrichtungen sind an sich bekannt und müssen hier nicht beschrieben werden.

Eine Leitung 1 dient zum Anschluss des Beatmungsgerätes an die Atmungsgasquelle und führt zu einem Regelventil 2. Das Regelventil 2 dient zum Umschalten zwischen Inspirations- und Expirationsphase und gleichzeitig zum Steuern von Fluss und Druck in den beiden Schaltstellungen. In der Inspirationsphase verbindet das Ventil 2 die Leitung 1 mit einer Leitung 3, in der

309842/0388

23U356

Exspirationsphase mit einer Leitung 4. In beidßn Phasen wird die Grosse von Druck und Fluss dadurch gesteuert, dass das Ventil mehr oder weniger weit geöffnet ist. Die beiden Leitungen 3 und 4 führen zu einem Inspirations/Exspirationsventil 5, im folgenden kurz I/B-Ventil genannt, lieben den beiden Leitungen 3 und 4 sind an das I/E-Ventil noch eine Patientenleitung 6 und eine Expirationsleitung 7 angeschlossen. Die Leitung 7 kann entweder zur Aussenluft geöffnet sein oder zinn Zweck der Rückgewinnung des Expirationsgases eine zur. Atmungsgasquelle zurückführende Leitung 8 aufweisen.

Die Patientenleitung 6 führt durch einen Messkopf 9 zur Messung des Flusses und des Druckes des Atmungsgases direkt zu einem Trachealtubus, der der Intubation des Patienten dient. Im Messkopf 9 werden elektrische Signale erzeugt, die den Fluss- und Druckverlauf des Atmungsgases wiedergeben. Eine elektrische Leitung 12 dient zur Ueberführung der gewonnenen Signale zu einer elektronischen Regeleinrichtung 13. Der Regeleinrichtung werden über eine Leitung 14 Sollsignale für den Atmungsverlauf eingegeben. In der Regeleinrichtung 13 werden die gemessenen Signale verarbeitet, mit den Sollsignalen verglichen und ein Stellsignal zur Steuerung des Regelventils 2 gewonnen. Eine elektrische Ausgangsleitung 15 dient zur Uebermittlung der Stellsignale an den Antriebsmechanismus des Regelventils 2.

309842/0388

23U356

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die einzelnen Elemente der Regelstrecke, d.h. Regelventil, I/E-Ventil und Messkopf direkt zu einer Einheit zusammengebaut. Diese Einheit ist ausserordentlich kompakt und hat die Abmessungen von ca. 15 x 10 χ 5 cm.

Im folgenden wird das Regelventil 2, das I/E-Ventil 5, der Messkopf 9 und die Regeleinheit 13 im einzelnen beschrieben.

Das Regelventil 2 ist in Pig. 3 teilweise im Schnitt dargestellt. Ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 16 besiezt eine innere, senkrecht zu seiner Achse verlaufende Trennwand 17, auf dessen einer Seite ein handelsüblicher Stellmotor 18 angebracht ist. Die Gehäusehälfte, innerhalb der sich der Motor 18 befindet, ist zweckmässigerweise mit Kühlrippen 19 versehen. Auf der Seite des. Motors 16 ist aas Gehäuse mit einem (nicht gezeigten) Deckel abgeschlossen. Die Motorenwelle ist auf der einen Seite über die Trennwand 17, auf der anderen Seite über den Deckel hinaus verlängert.

Die zweite Hälfte des Gehäuses 16 enthält den eigentlich-ii Ventilteil. Das j__n das Innere dieses Gehäuseteils ragende Wellenstück endet in Form eines, topfförmigen Rotors 21, Der äussere Durchmesser des zylindrischen Teils des Rotors ist geringfügig, beispielsweise 1/10 mm kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses. An einer Stelle der zylindrischen Wand

309842/0388

23H356

des Rotors 21 ist eine kreisförmige Bohrung 22 vorgesehen. Die Wand des Gehäuses 16 besitzt zwei Bohrungen 23 und 24. Di^ Achsen der Bohrung 22 des Rotors und der beiden Bohrungen 23 und 24 des Gehäuses liegen in einer zur Gehäuseachse senkrechten Ebene. Der Abstand der Mittelpunkte der beiden Bohrungen 23 und 24 des Gehäuses ist grosser als der Durchmesser der Bohrung 22. Durch entsprechende Winkelstellung des Rotors wird entweder die Rotorbohrung 22 mit einer der beiden Gehäusebohrungen 23 oder ganz oder teilweise zur Deckung gebracht oder die Gehäusebohrungen 23 und 24 werden von der Rotorwand verschlossen.

Der den Rotor enthaltende Teil des Gehäuses 16, d.h. der eigentliche Ventilteil,sitzt in einer entsprechenden Bohrung eines Kunststoffblocks 25, der die zum Regelventil 2 führende Eingangsleitung 1 und die vom Regelventil wegführenden Ausgangsleitungen 3 und 4 enthält und der, wie im folgenden^gezeigt wird,

auchj
Teil eines fdais I/E-Ventil und den Messkopf enthaltenden Gehäuses ist. Die Eingangsleitung 1 führt in das Innere des Gehäuses und des Rotors, die Ausgangsleitungen 3 und 4 verbinden die Gehäusebohrungen 23 und 24 mit den entsprechenden Eingängen des I/E-Ventils.

Der Kunststoffblock 25 ist mit dem Gehäuse 16 lösbar, d.h. beispielsweise mit Klammern oder einem Bajonettverschluss verbunden.

309842/0388

23U356

Zur Entlüftung des Raumes zwischen der Rückseite des Rotors 21 und der Trennwand 17 ist in der Gehäusewand 16 eine Bohrung 26 vorgesehen.

Auf der anderen Seite des Motors 18, auf der die Welle ebenfalls herausgeführt ist, befindet sich eine Kontrolleinrichtung 27 zur Bestimmung der Winkelposition des Motors 18 bzw. des Rotors 21. Die Einrichtung 27 besteht im wesentlichen aus einem Drehkondensator mit drehbaren Lamellen, die auf der Welle 20 befestigt sind und festen Lamellen, die isoliert am Gehäuse befestigt sind und in die Zwischenräume zwischen den drehbaren Lamellen ragen. Wenn zwischen den drehbaren und den festen Lamellen eine Spannung anliegt, kann durch die veränderliche Kapazität die Winkelposition des Motors 18 bzw. des Rotors 21 eindeutig festgestellt werden. Die Einrichtung zur Bestimmung der Winkelposition 27 soll hier nicht im einzelnen beschrieben werden, da die Herstellung einer solchen Einrichtung für den Fachmann offensichtlich ist.

Die Funktion des Regelventils beruht darauf, dass durch den Stellmotor 18 aufgrund von Steuersignalen der Rotor 21 so gedreht wird, dass die Rotorbohrung 22 wahlweise über eine der Gehäusebohrungen 23 und 24 gebracht wird. Durch die Eingangsleitung 1 wird unter Druck stehendes Atmungsgas geliefert. Zu Beginn der Inspirationsphase wird der Rotor 21 so gedreht,

309842/0388

23U356

dass die Rotorbohrung 22 über der Gehäusebohrung 23 steht. Das Atmungsgas kann somit über die Leitung 3 zum Eingang des I/E-Ventils strömen. Fluss und Druck des Atmungsgases können zwischen dem Wert Null und einem Maximalwert stufenlos gesteuert werden, indem die Rotorbohrung 22 und die Gehäusebohrung 23 durch entsprechende Rotordrehungen gegeneinander verschoben werden, wobei der Querschnitt der Durchtrittsöffnung variiert.

Zu Beginn der Exspiratiönsphase wird der Rotor 21 so gedreht, dass die Rotorbohrung 22 über die Gehäusebohrung 24 zu liegen kommt. Das Gas strömt nun über die Leitung 4 zum zweiten Eingang des I/E-Ventils, wo es, wie nachfolgend gezeigt, zur Erzeugung eines ünterdrucks für die exspiratorische Atemhilfe benützt wird. Auch in dieser Stellung sind selbstverständlich Fluss und Druck des in der Leitung 4 strömenden Gases stufenlos zwischen dem Wert Null und einem Maximalwert steuerbar.

Es kann erwünscht sein, dass beispielsweise zwischen den beiden Phasen eines Atmungszyklus Pausen eingeschaltet werden, in denen dem Patienten weder Atmungsgas zugeführt wird noch die Exspiration durch Erzeugung eines Unterdrucks unterstützt wird. In diesem Fall wird der Rotor 21 so gedreht, dass sich die Rotorbohrung 22 mit keiner der beiden Gehäusebohrungen 23 und deckt. Um die Drehwinkel zwischen den einzelnen Positionen des Rotors möglichst klein zu halten, wird für diesen Fall

309842/0388

- Io -

23H356

zweckmässigerweise die Stellung zwischen den beiden Gehäusebohrungen 23 und 24 gewählt. Beim Aufbau des Ventils 2 wurden keine reibenden Dichtungen vorgesehen, weil diese die Schaltgeschwindigkeit erheblich beeinträchtigen wurden. Durch den sehr geringen Abstand zwischen der Aussenfläche des Rotors 21 und der Innenwand des Gehäuses 16 wird eine ausreichende Dichtigkeit erzielt, d.h. die Verluste an Atmungsgas sind unerheblich. Durch die Entlüftungsbohrung 26 wird ausserdem verhindert, dass Atmungsgas über den Motorraum in die Eontrolleinrichtung gelangen und dort Störungen hervorrufen kann.

Wie bereits erwähnt, ist der Kunststoffblock 25, der die Leitungen 1, 3 und 4 enthält, Teil eines Gehäuses, in dem auch das I/E-Ventil untergebracht ist". Fig. 4 zeigt einen entlang der Längsachse des I/E-Ventils geführten Schnitt durch Regelventil 2, I/E-Ventil 5 und Messkopf 9. Das I/E-Ventil besitzt einen ersten oder Hauptkanal 28 und einen zweiten senkrecht zu diesem verlaufenden und etwa in dessen Mitte mündenden zweiten oder Nebenkanal 29. Sin Ende 30 des Hauptkanals 28 dient als Eingang und steht in direkter Verbindung mit der vom Regelventil kommenden Leitung 3· Das andere Ende des Hauptkanals 28 dient zur Verbindung des I/E-Ventils mit der Eingangsleitung 6 des Messkopfes. Der Kebenkanal 29 hat im inneren, dem Hauptkanal benachbarten Bereich, zunächst eine zylindrische Form und weitet sich in einem anschliessenden Bereich 32 konisch auf. Sein Ende 33 stellt den Ausgang des

309842/0388

I/E-Ventils dar und dient zum Anschluss an die Leitung 7.

Im Hauptkanal 28 ist koaxial zu diesem und im Bereich der Mündung des Nebenkanals ein langgestreckter geschossförmiger Körper 34 angebracht, der im folgenden als umströmter Körper bezeichnet wird. Der umströmte Körper 34 weist bezüglich seines Querschnittes im wesentlichen drei Bereiche auf. Im ersten, dem Eingang 30 zugewandten Bereich 35, besitzt der Körper 34 eine konische Form mit einer sphärisch abgerundeten Endfläche, im mittleren Bereich 36 eine zylindrische Form und im anschliessenden, dritten Bereich 37 wiederum eine konische Form mit sphärischer Abrundung am Ende. Der Uebergang vom zylindrischen Bereich 36 zum dritten, wiederum konischen Bereich 37 liegt in einer durch die Achse des Nebenkanals gelegten, zur Achse des Hauptkanals senkrechten Ebene.

Von der dem Messkopf zugewandten, sphärisch gerundeten Stirnfläche des umströmten Körpers 34 verläuft eine Bohrung zunächst koaxial zum Hauptkanal 28 und dann, um 90 geknickt, koaxial zum Nebenkanal 29 bis zu dem der Mündung des Nebenkanalc gegenüberliegenden Teil der Aussen- oder Mantelfläche des umströmten Körpers 34.

Ein dünnes Rohr 39 ist in entsprechende, zum Nebenkanal koaxiale Bohrungen durch die der Mündung des Nebenkanals gegenüberliegende Wand des Gehäuses und durch den umströmten Körper

3 09842/0388

-U-

eingesetzt. Das Rohr 39 mündet im zylindrischen Bereich des Nebenkanals 29·

Tm Bereich des ersten, dem Eingang 30 zugewandten konischen Teils 35 weist der umströmte Körper 34 eine Anzahl strahlig angeordneter Flügel oder Leitwände 40 auf, die gegenüber sie schneidenden Ebenen durch die Achse des Hauptkanals um einen kleinen Winkel, beispielsweise 6°, schräggestellt sind. Die Flügel 40 dienen einerseits zur Befestigung und Zentrierung des umströmten Körpers 34 und andererseits durch ihre Schrägstellung dazu, dem durch das Rohr strömenden Atmungsgas einen Drall zu verleihen.

Der Raum 41 zwischen dem umströmten Körper 34 und der leitung 6 dient als Diffusor. Ebenso dient der aufgeweitete Teil 32 des Nebenkanals 29 als Diffusor.

Im Betrieb wird, wie bereits beschrieben, durch das Steuerventil 2 unter einem mittleren Druck von ca. 1,2 ata stehendes Gas abwechselnd durch die Leitungen 3 und 4 zugeführt. In der Inspirationsphase kommt das Gas durch den Eingang 30 in den Hauptkanal und strömt am umströmten Körper 34 vorbei.

Durch die Verringerung des Rohrquerschnitts im konischen Bereich des umströmten Körpers 34 steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases stark an, d.h. seine Druckenergie wird in kinetische Energie umgewandelt. Im Bereich der Mündung des Nebenkanals 29

309842/0388

23U356

hat das Atmungsgas Atmosphärendruck. Es besteht also kein Druckgefälle zwischen dem Hauptkanal und dem Nebenkanal und somit strömt praktisch kein Atmungsgas durch den Nebenkanal ab. Der zylindrische Teil 36 des umströmten Körpers ist relativ lang , damit sich eine laminare Strömung ausbilden kann. Im Diffusorbereich 41 wird aus der kinetischen Energie des Gases die Druckenergie zurückgewonnen und man erzielt am Ende 31 des Hauptkanals einen Druck von ca. 1,1 ata.

Durch die Flügel 40 wird dem Gas ein Drall vermittelt, damit sich am Ende des umströmten Körpers eine saubere Ablösung ergibt und eine Ablösung von der Wand des Hauptkanals, die eine unerwünschte Druckverteilung ergäbe, vermieden wird.

In der Expirationsphase gelangt das vom Patienten ausgeatmete Gas durch den Messkopf und die Leitung 6 in den Bereich des Diffusors 41 und durch die Bohrung 38,in den Nebenkanal 29. Da der zwischen dem zylindrischen Bereich 36 des umströmten Körpers und der Wand des Hauptkanals verbleibende freie Querschnitt kleiner ist als der Querschnitt der Bohrung 38,gelangt bereits ohne zusätzliche Massnahmen praktisch kein Exspirationsgas am umströmten Körper 34 vorbei auf die Eingangsseite des Hauptkanals. Die Bohrung 38 wird so gross gewählt, dass ohne äussere Hilfe ausgeatmet werden kann.

Während der Exspirationsphase wird durch das Regelventil 2 das unter Druck stehende Gas in die Leitung 4 zum Rohr 39 und

309842/0388

durch dieses in den Nubenkanal 29 geführt. Infolge des kleinen .Querschnittes des Rohrs 39 besitzt das Gas in diesem eine hohe Geschwindigkeit, mit der es auch in den Nebenkanal 29 austritt. Es ergibt sich die Wirkung einer Strahlpumpe, mit der auf der Patientenseite ein Unterdruck zur Unterstützung der Exspiration erzeugt werden kann. Ferner hilft die Absaugung noch mit, dass kein Exspiraticnsgas am umströmten Körper vorbei auf die Eingangs Seite des Hauptkanals gelangen kann. Im Diffusorbereich 52 des Nebenkanals wird wiederum die kinetische Energie des Gases in Druckenergie umgewandelt, so dass las Gas am Ausgang 33 wieder Atmosphärendruck besitzt.

Das l/E-Ventil hat zwei wesentliche Vorteile gegenüber bisher bekannten I/E-Ventilen. Da es keine beweglichen Teile besitzt, können keine Punkt ions stör ungen durch. Ablagerungen von im Exspirationsgas enthaltenen Plüssigkeitströpfchen und Feststoffen auftreten. &ine Verlegung der Kanäle kann praktisch nicht stattfinden, da sie in der jeweils nächstfolgenden Inspirationsphase freigeblasen werden. Der zweite Vorteil besteht darin, dass das I/E-Ventil aufgrund seiner einfachen Bauweise vollständig aus Kunststoff hergestellt und mit dem Leitungsblock 25 des Regelventils und dem Kanal des Messkopfes 9 integriert werden kann.

309842/0388

23U356

Aus Pig. 4 ist auch der Aufbau des Messkopfes 9 ersichtlich. Dieser besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, von denen der erste 42 die Patientenleitung 6 enthält, durch die während Inspirations- und Bxspirationsphase das Atmungsgas strömt, während der zweite Teil 43 die eigentliche Messeinrichtung enthält. Der die Patientenleitung 6 enthaltende Teil 42 des Messkopfes besteht aus einem Kunststoffblock und ist Bestandteil des bereits erwähnten auch das I/E-Ventil und den Kunststoffblock 25 enthaltenden Gehäuses. Der zweite, die Messeinrichtung enthaltende Teil 43 ist hingegen mit dem Regelventil '2, bzw. mit dem Motor 18 mechanisch verbunden.

Das aus dem Kunststoffblock 25, dem I/E-Ventil 5 und dem Leitungsteil 42 des MesskopfeG 9 bestehende Gehäuse stellt ein auswechselbares Element dar, das mit den fixen Teilen des Boatmungsgerätes, zu denen der eigentliche Ventilteil des Regelventils 2, der Motor 18 und die Kontrolleinrichtung 27 zur Bestimmung der Winkelposition des Motors 18 sowie auch der eigentliche Messteil 43 des Messkopfes 9 gehören, durch einen leicht lösbaren Mechanismus verbunden ist. Dieses auswechselbare Gehäuse ist als Wegwerfteil konzipiert, so dass es nach einmaligem Gebrauch (d.h. für einen Patienten) ersetzt werden kann und sich damit eine Reinigung und Sterilisierung erübrigt. Für seine Herstellung wird jedoch zweckmässig ein Kunststoffmaterial gewählt, das auch eine Sterilisierung ermöglicht, damit in einem Notfall, in dem keine neuen Teile mehr zur Verfügung stehen,

309842/0388

die Einsatzbereitschaft des Beatmungsgerätes gewährleistet ist.

Zur Verbindung des die Patientenleitung 6 darstellenden Kanals mit der eigentlichen Messeinrichtung 43 sind Kanäle 44 vorgesehen. Diese Kanäle 44 münden mit einem Ende an bestimmten Messpunkten der Patientenleitung, während sich ihr jeweils anderes Ende zur äusseren Begrenzung des Teils 42 öffnet. Wenn das auswechselbare Gehäuse mit den fixen Teilen zusammengebaut ist, liegen diese äusseren Mündungen der Kanäle 44 entsprechenden Oeffnungen 70 der eigentlichen Messeinrichtung 43 gegenüber und sind dort, wie im folgenden gezeigt wird, gegen die Umgebung abgedichtet.

Zunächst wird das Prinzip des Messkopfes anhand der Pig.5 beschrieben. Die Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf den auswechselbaren Teil 42 und in schematischer Darstellung den eigentlichen Messteil 43 des Messkopfes 9·

Teil 42 besteht aus einem im wesentlichen L-förroigen Kunststoffblock mit rechteckigem Querschnitt. In seinem Inneren verläuft die Patientenleitung 6 als ein im wesentlichen um 90° abgewinkelter Kanal. Der Kanal 6 hat in seinem ersten, an das I/E-Ventil angeschlossenen Teil 45 einen kreisförmigen und nach einem Uebergangsbereich 46 einen rechteckigen Querschnitt. Die im Hinblick auf die Abknickung des Kanals bogen- oder kurven-

äussere Wandung 47 verläuft zunächst achsenparallel und setzt

309842/0388

23U356

sich von einer bestimmten, zur Achse senkrechten Ebene ab in einem Bogen 4θ mit einem der längeren Seite des rechteckigen Querschnittes gleichen Krümmungsradius fort. Im anderen Schenkel, dessen Achse zur vorgenannten Achse senkrecht verläuft, erstreckt sich die äussere Wandung 41 zunächst ebenfalls achsenparallel, um sich anschliessend, genau symmetrisch zum Bogen 48 in einem Bogen 50 fortzusetzen. Die bogen- oder kurveninnere Wandung weist zwei ebenfalls achsenparallele Teilstücke 51» 52 auf, die den achsenparallelen Stücken 47, 49 der Aussenwandung gegenüber liegen, während ihr den Bögen 48, 50 gegenüberliegender * Teil unter einem Winkel von 45°, jedoch ohne Krümmung verläuft.

Für die Fluss- und Druckmessung sind vier Messpunkte vorgesehen, zu denen die Verbindungskanäle 44a, 44b, 44c, 44d führen. Wie bereits erwähnt, stellen diese Kanäle 44 die Verbindung zwischen der Patientenleitung 6 und der eigentlichen Messeinrichtung dar .Die beiden Verbindungskanäle 44a und 44b münden an den Stellen in die Patientenleitung, an denen die achsenparallelen Teile 51» 52 der Innenwandung in den unter einem Winkel 45 verlaufenden Teil abknicken. Die beiden anderen Verbindungskanäle 44c und 44d münden bei der Aussenwand des Kanals 6 jeweils an einer Stelle, an der die Achsen der beiden Schenkel des Kanals 6 auf die gekrümmten Wandteile 48 und 50 treffen.

309842/0388

2 3 ι ι, ^ S 6

Im eigentlichen Messteil 43 sind zwei Kanäle 53, 54 vorgesehen, die einerseits (wenn das auswechselbare Teil 42 eingebaut ist) mit den Verbindungskanälen 44a, 44b in Verbindung stehen und andererseits über einen zentralen Hohlraum 55 miteinander verbunden sind. Vom Hohlraum 55 führen zwei weitere Kanäle 56 und 57 zu den bei der Aussenwand der Patientenleitung mündenden Verbindungskanälen 44c, 44d. Die beiden Kanäle 56, 57 weisen an ihren beiden Enden, d.h. also in der Nähe des Hohlraums 55 und in der Nähe ihres Anschlusses an die Verbindungskanäle 44c, 44d jeweils pneumatische Blenden 58, 59 bzw. 60, 61 auf. Zwischen den beiden auf der Seite der Verbindungskanäle 44c, 44d angeordneten Blenden 59, 61 und den beiden Verbindungskanälen ist jeweils in unmittelbarer Nähe der Blendenöffnung und möglichst konzentrisch zu dieser je ein temperatürabhängiger Widerstand (in folgenden kurz Thermistor) 62, 63 angebracht. Die Anschlussleitungen der Thermistoren 62, 63 sind seitlich aus den Kanälen herausgeführt und mit dem später zu beschreibenden elektronischen Teil der Messeinrichtung verbunden.

Die beiden Kanäle 56, 57 sind ausserdem mit je einem Kanal 64 und 65 verbunden, die ihrerseits über pneumatische Widerstände 66, 67 mit einem gemeinsamen Kanal 68 i:i Verbindung stehen. Der Kanal 68 ist an eine (nicht gezeigte) Druckgasquelle angeschlossen.

309842/0388

ORIGINAL INSPECTED

23U356

Vom zentralen Hohlraum 55 führt ein weiterer Kanal 69 zur Aussenluft. Dieser Kanal enthält je eine in der Nähe des Hohlraums 55 und in der Nähe seiner Mündung zur Aussenluft angebrachte pneumatische Blende 70, 71 und zwischen diesen beiden Blenden zwei pneumatische Widerstände 72, 73· Zwischen der pneumatischen Blende 70 und dem Hohlraum 55 ist in unmittelbarer Nähe der Blendenöffnung ein Thermistor 74, zwischen der pneumatischen Blende 71 und der Aussenluft in unmittelbarer Nähe der Blendenöffnung ein Thermistor 75 angebracht. Dor zwischen den beiden pneumatischen Widerständen 72, 73 liegende Teil des Kanals 69 ist über einen Verbindungskanal 76 und einen weiteren pneumatischen Widerstand 77 mit dem Kanal 68 verbunden.

Schliesslich führt vom Hohlraum 55 noch ein Kanal 78 zur" Aussenluft. In den Kanal 78 mündet eine enge Verbindungsleitung 79 zum Verbindungskanal 76 und der Leitung 79 gegenüber ein ebenfalls enger Durchlass 80, in dem hinter einer Blende 81 ein Thermistor 82 angebracht ist, der zur Aussenluft mündet. Im Kanal 78 ist ein pneumatischer Widerstand 78' angebracht.

Die Anschlussleitungen der Thermistoren 74,' 75 und 82 sind ebenfalls seitlich aus den Kanälen herausgeführt und führen zum elektronischen Teil der Messeinrichtung.

Die Punktion der Messeinrichtung ist wie folgt: von einer Druckgasquelle wird über den Kanal 68 ein Gasstrom zugeführt,

309842/0388

23U356

der sich auf die einzelnen Zweige der Vorrichtung verteilt. Durch die pneumatischen Widerstände 66 und 67 gelangt ein Teil des Gasstroms in die Kanäle 64, 65 und weiter in die Kanäle 56 und 57. Da in den Kanälen 56 und 57 gleiche Vorgänge ablaufen, kann im folgenden die Beschreibung auf einen der beiden Kanäle beschränkt werden. Im Kanal 56 teilt sich der durch den Kanal ankommende Gasstrom wiederum in zwei Zweige auf, von denen einer durch die Oeffnung der Blende 58 in den Hohlraum 55 strömt, während der andere durch die Oeffnung der Blende 59 am Thermistor vorbei in den Verbindungskanal 44c und von dort in die Patientenleitung 6 gelangt. Diese beiden Zweigströme dienen der Messung des inspiratorischen Flusses in der Patientenleitung 6.

Wenn in der Patientenleitung 6 kein Gas strömt, herrscht an allen Messpunkten der gleiche Druck. Die beiden durch die Oeffnungen der Blenden 58 und 59 strömenden Zweigströme treffen somit auf den gleichen Druck und bleiben zeitlich unverändert. Während des Inspiriums strömt jedoch das Atmungsgas vom I/E-Ventil kommend durch die Patientenleitung und "prallt" auf den gekrümmten Teil 48 der Aussenwand. In dieser Strömung herrscht bei der Mündung des Verbindungskanals 44c ein höherer Druck als im Bereich der Kanalinnenwand, d.h. bei den Mündungen der

Verbindungskanäle 44a und 44b und damit auch ein höherer Druck als im Hohlraum 55· Durch diesen Druckunterschied verändern sich die beiden Zweigströme im Kanal 56 in der Weise, dass der

309842/0388

23H356

durch die Oeffnung der Blende 59 gerichtete Strom kleiner und der durch die Oeffnung der Blende 58 gerichtete Strom grosser wird. Diese Veränderung des durch die Oeffnung der Blende 59 gelangenden Zweigstroms wird mit Hilfe des Thermistors 62 gemessen.

Zur Messung wird die Impedanz des Thermistors auf einen konstanten Wert geregelt. Bei einem gleichmässigen durch die Blende 59 kommenden Gasstrom wird der Thermistor gleichmässig gekühlt, wodurch sich im stationären Zustand ein Gleichgewicht einstellt. Im nicht stationären Zustand, d.h. wenn ein inspiratorischer Fluss herrscht, und damit sich der durch die Oeffnung der Blende 59 kommende Zweigstrom ändert, verändert sich auch die durch das Gas bewirkte Wärmeableitung und damit wiederum die Verlustleistung des Thermistors 62. Der dem Thermistor 62 zugeführte elektrische Strom wird gemessen und somit eine Aenderung der Verlustleistung erfasst.

Es wurde gefunden, dass die Aenderung des Verhältnisses der beiden Zweigströme im Kanal 56, und damit auch die am Thermistor 62 durch den einen der beiden Zweigströme hervorgerufene Wärmeableitung, sowie schlieselich auch die Verlustleistungsänderung des Thermistors bzw. das diese Verlustleistungsänderung anzeigende Signal eine eindeutige Abhängigkeit von der Aenderung des in der Patientenleitung 6 herrschenden inspiratorischen

309842/0388

Flusses zeigen. Damit kann ein den Fluss anzeigendes elektrisches Signal gewonnen werden. Das Flussignal wird zum Zweck der Regelung der später zu beschreibenden elektronischen Schaltung zugeführt.

Die Messung des expiratorischen Flusses erfolgt auf die gleiche Weise mit Hilfe des im Kanal 57 angeordneten Thermistors

Es wurde hier vereinfachend angenommen, dass während des Inspiriums am Thermistor 63 und während des Exspiriums am Thermistor 62 kein Signal gewonnen wird. Dies ist streng genommen nicht richtig, jedoch sind diese unerwünschten Signale erheblich kleiner, als die zur Messung herangezogenen Signale und können bei der Weiterverarbeitung ohne weiteres eliminiert werden.

Ein Teil des durch die Leitung 68 herangeführten Gasstromes gelangt über den pneumatischen Widerstand in den Kanal und wird zur Druckmessung herangezogen. Der Strom gelangt in den Kanal 69 und hier über die beiden pneumatischen Widerstände und 73 zu den Blenden 70 und 71. Falls im Hohlraum 55 Barometerdruck herrecht, sind die durch die Oeffnungen der Blenden 70 und 71 gelangenden Gasströme und damit ihre Kühlleistung an den Thermistoren 74 und 75 gleich gross. Bei einer Druckdifferenz zwischen dem im Hohlraum 55 herrschenden Druck und dem Atmosphärendruck ergibt sich auch eine Differenz der die Thermistoren 74

309842/0388

23U356

und 75 kühlenden Grasströme, wodurch ein Differenzsignal gewonnen werden kann. Es wurde gefunden, dass dieses Differenzsignal der gesuchten Druckdifferenz proportional ist.

Ein Teil des in den Kanal 76 gelangenden Gfasstroms wird über die Leitung 79 in den Kanal 78 geführt und dient zur Nullstellung des Drucksignals. Da der Kanal 78 eine Verbindung zwischen dem Hohlraum 55 und der Aussenluft darstellt, bildet sich je nach den Vorzeichen der Druckdifferenz zwischen dem im Hohlraum herrschenden, als Buccaldruck P, bezeichneten Druck und dem Atmosphärendruck ein Fluss in der einen oder anderen Richtung aus. Falls keine Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum 55 und der Aussenluft besteht und damit im Kanal 78 kein Gas strömt, wobei dieser Zustand dem gewünschten Nullpunkt entspricht, gelangt das durch die Leitung 79 ankommende Gas in den Durchlass 80 und durch die Oeffnung der Blende 81 zum Thermistor 82. Da während der Atmung der Buccaldruck jeweils zwischen 1 unter dem Barometerdruck und einem über dem Barometerdruck liegenden Wert abwechselt, herrscht im Kanal 78 jeweils kurzzeitig der gewünschte Nullzustand. In dieser kurzen Zeitspanne wird vom Thermistor 82 ein Signal abgegeben. Dieses Signal kann dazu verwendet werden, das gemessene Drucksignal in jedem Atemzyklus auf null zu stellen. Diese Einrichtung zur Nullstellung erübrigt eine häufige manuelle Nullstellung.

309842/0388

23H356

Ebenso wie für die gewonnenen Drucksignale ist auch für die Flussignale eine Nullstellung erforderlieh, da die Nullinien für beide Signale aufgrund verschiedener äusserer Einflüsse eine Tendenz zur Verschiebung haben. Die Nullstellung der Flussignale wird jedoch wie später gezeigt wird, elektronisch vorgenommen.

Während in Fig. 5 die eigentliche Messeinrichtung zur Fluss- und Druckmessung schematisch gezeigt ist, kann aus Fig. der tatsächliche Aufbau ersehen werden. Alle Kanäle wie auch der Hohlraum 55 sind im Inneren eines aus zwei flach aufeinanderliegenden Teilen eines Metallblockes 83 untergebracht. Sie sind teilweise in die Trennflächen zwischen den beiden Teilen des Metallblockes 83 eingefräst, teilweise bestehen sie aus Bohrungen senkrecht zu dieser Trennfläche. Der in Fig. 4 vorgenommene Schnitt führt durch einen Teil des Kanals 68, den pneumatischen Widerstand 66, die Kanäle 64 und 56, die pneumatische Blende 59, den Thermistor 62 und den Kanal 44c. Zur Verdeutlichung des Aufbaus genügt eine Beschreibung der in diesem Schnitt gezeigten Messteile, da die anderen Messtell^-ix

der vorliegenden prinzipiell entsprechen. Diese Messtelle ist in Fig. 6 in vergrössertem Masstab gezeigt.

Die pneumatischen Widerstände bestehen beispielsweise aus Metallkapillaren, die durch Quetschen an einer bestimmten Stelle auf den erwünschten Widerstandswert gebracht werden.

309842/0388

23U356

Sie können auf an sich bekannte Weise in vorgesehene Verbindungsbohrungen zwischen den einzelnen Kanälen eingepresst werden. . Die einen Teil des Kanals 56 darstellende Bohrung mündet in der dem auswechselbaren Teil des Messkopfes 9 gegenüberliegenden Stirnfläche des Metallblocks 83 und zwar gegenüber dem Verbindungskanal 44c. Konzentrisch zur Mündung dieser Bohrung ist in die Stirnfläche des Metallblocks eine ringförmige Nut oder Rinne eingefräst. Der Innendurchmesser dieser Nut ist etwas grosser als der Durchmesser der Bohrung, so dass ein Rand stehen bleibt.Ueber diesen Rand ist eine einseitig geschlossene dosenförmige Hülse gestülpt, die in ihrem ebenen Teil ein konzentrisches Loch aufweist. Diese Hülse stellt die pneumatische Blende dar. Ausserdem ist in die Nut eine weitere beidseitig offene zylindrische Hülse aus einem elektrisch isolierenden Material gesteckt. Eine weitere Hülse vom gleichen Durchmesser 86 sitzt auf der Hülse 85 auf. Zwischen den beiden Hülsen 85 und 86 ist der Thermistor 62 eingeklemmt. Seine Anschlussdrähte führen nach beiden Seiten heraus und sind auf einer gedruckten Leiterplatte 87 angelötet. Die Hülse 86 geht durch die Leiterplatte 87

hindurch und sitzt auf einer Gummiplatte 88 auf. Die Gummiplatte besitzt ein Loch 89 und dieses Loch ringförmig umgebende Dichtungslippen 90. Die ganze Anordnung ist in einem Gehäuse 91 untergebracht, das auf der Seite des auswechselbaren Teils 42 eine entsprechende Oeffnung aufweist, in die die Gummiplatte 88 einge setzt ist. Im zusammengebauten Zustand wird die Gummiplatte mit

309842/0388

den Dichtungalippen 90 so auf die Oberfläche des auswechselbaren Teils 42 aufgepresst, dass sich eine Abdichtung gegenüber der Umgebung ergibt.

Zur Thermostatisierung des Metallblocks 83 ist auf seiner anderen Oberfläche ein

Zwischenraum zwischen dem Metallblock 83 und der Wand des Gehäuses 91 ist gegen die Umgebung abgeschlossen und steht mit der Zuleitung des zur Messung verwendeten G-ases in Verbindung. Da für die Messung in der Regel Stickstoff verwendet wird, ist damit ein Explosionsschutz in diesem Raum, aer den Leistungstransistor 92 enthält, vorgesehen.

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Regelung des Beatmungsgerätes durch die elektronische Regeleinrichtung 13, die das Regelventil 2 beeinflusst, aufgrund von gemessenen Istwerten des Flusses und des Druckes und von eingegebenen Sollwerten. Bei der vorliegenden Ausfuhrungsform findet im Normalfall während des Inspiriums eine Flussregelung, während des Exspiriums eine Druckregelung statt. Diese Art der Regelung hat sich aus folgenden Gründen als besonders zweckmässig erwiesen: während des Inspiriuma wird dem Patienten ein bestimmtes Sollvolunen des Atmungsgasea zugeführt. Zu Beginn des Exepiriums wird der end- inspiratorische Druck als Ausgangswert für die Druckregelung übernommen und der Buccaldruck gemäas einer bestimmten Kurve auf den Wert Null bzw. Barometerdruck gebracht. Die Kurven des

309842/0388

ORIGINAL INSPECTED

23U356

Fluss- und des Druckverlaufs werden als Sollkurven eingegeben; gleichzeitig werden die entsprechenden Istwerte gemessen und dienen zur Korrektur der Sollkurven. Als übergeordnete Bedingung wurde festgelegt, dass das eingestellte Soll-Minutenvolumen eingehalten wird. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe der Plussmessung das Volumen berechnet und zur Korrektor eines oder mehrerer der anderen Sollwerte verwendet.

Als weitere Bedingung wurde vorgesehen, dass während des Inspiriums der Buccaldruck und seine zeitliche Zunahme bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten dürfen. Falls während der Flussregelung im Inspirium einer dieser Maximalwerte erreicht wird, schaltet die Regeleinheit solange auf Druckregelung um, bis die Flusskurve unter den Maximalwerten liegenden Druck bzw. Druckanstieg ermöglicht.

Aufbau und Funktion der Regeleinrichtung sind aus Fig. ersichtlich, in der ein Blockdiagramm dieser Einrichtung gezeigt ist. In Fig. 7 und in der nachfolgenden Beschreibung wird nicht auf Einzelheiten der Schaltung eingegangen, da die durch Blöcke dargestellten Funktionen in der Regel auf mehrere verschiedene Arten verwirklicht werden können, die dem Fachmann geläufig sind. Erfindungswesentlich ist vor allem die Kombination der einzelnen Funktionen, insbesondere diejenige zu mehreren unterlagerten Regelkreisen.

309842/0388

23 U- 56

Zunächst ist in der Fig. 7 wiederum die aus Regelventil 2, I/E-Ventil 5 und Messkopf 9 bestehende Regelstrecke ersichtlich. Der erste der unterlagerten Regelkreise dient zur Positionsregelung des Stellmotors 18 des Regelventils 2. Zu diesem Zweck ist der Motor 18 mit einer Schaltung 100 zur Positionsregelung, nachfolgend kurz Positionsregler, verbunden, in die der auf der Motorenwelle sitzende Drehkondensator der Kontrolleinrichtung 27 eingeschaltet ist, wodurch der Kreis geschlossen ist. Der Positionsregler 100 ist an eine Schaltung 101 zur Umschaltung zwischen Fluss- und Druckregelung nachfolgend kurz Umschalter, angeschlossen. Der Umschalter 101 besitzt drei Eingänge, von denen der erste von einem Zeitgenerator 102 kommt, der aufgrund von eingegebenen Werten ein zeitliches Ablaufprogramm erzeugt. Die beiden anderen Eingänge des Umschalters 101 sind in zwei Addierpunkten 103', 104' mit den Ausgängen zweier Kurvengeneratoren 103, 104 und mit den Rückführungen des Fluss- und des Druckregelkreises verbunden. Die Kurvengeneratoren erzeugen aufgrund von eingegebenen Werten und von innerhalb der Regeleinrichtung gewonnenen Korrekturwerten die Fluss- und Druckkurven gemäss denen das Inspirium und das Exspirium ablaufen. Die Addierpunkte 103', 104' werden im wesentlichen von Subtraktionsschaltungen gebildet, in denen die gemessenen oder Ist-Signale von den Sollsignalen subtrahiert werden und ein Fehlersignal gewonnen wird. Die Schleife, bestehend aus Umschalter 101, Positionsregelung 100, Steuerventil 2, I/E-Ventil 5, Flussmesseinrichtung 105 und Addierpunkt 103' stellt den Fluss-Regelkreis dar.

3 09842/0388

ORIGINAL INSPECTED

23H356

Entsprechend ist der Addierpunkt 104' mit dem Ausgang der Druckmesseinrichtung 105' verbunden, wodurch der Druckregelkreis gebildet wird.

Die Sollkurvengeneratoren 103, 104 besitzen mehrere Eingänge , von denen je einer mit einem äusseren Bedienungselement 106 verbunden ist, das zur Einstellung der gewünschten Sollkurve dient. Die gewünschte Sollkurve bestimmt denjenigen Fluss- bzw. Druckverlauf, der ohne Störungen eingehalten würde. Falls Störungen auftreten, wird die jeweils gewählte Sollkurve nach Bedarf modifiziert. Je ein zweiter Eingang der Kurvengeneratoren 103 und 104 ist mit dem Zeitgenerator 102 verbunden, von dem die Bedingungen für die zeitliche Länge eines Atmungszyklus und das Verhältnis der Inspirations- zur Expirationsphase geliefert werden.

Ein dritter Eingang des Flusskurvengenerators 103 ist mit einem äusseren Bedienungselement 107 zur Einstellung des Soll-Minutenvolumens verbunden. Von der Wahl des Soll-Minutenvolumens hängt die Amplitude der Flusskurve ab.

Ein dritter Eingang des Druckkurvengenerators 104 ist mit einer Logikschaltung 108 verbunden, in der Störungen wie Spontanatmung, Husten, Ueberschreitung des maximalen Druckes oder des maximalen Druckanstiegs verarbeitet und zur Veran-

309842/0388

lassung gewisser Aenderungen des Ablaufes aes Atmungszyklus herangezogen werden. So wird beispielsweise, wie bereits erwähnt, bei einer Ueberschreitung des maximalen Druckes oder des maximalen Druckanstieges während des Inspiriums auf Drucksteuerung umgeschaltet. Andererseits wird im Falle von Husten oder Spontanatmung der Atmungszyklus abgebrochen und nach dem Ende dieser Störung erneut begonnen. Zu diesem Zweck ist ein zweiter Ausgang der Logik 108 mit dem Zeitgenerator 102 verbunden.

Der Druckkurvengenerator 104 besitzt einen vierten Eingang, der mit einer Messeinrichtung 109 sur Messung des fendinspiratorischen Druckes verbunden ist. Der endinspiratorische Druck wird dem Druckkurvengenerator 104 deshalb eingegeben, weil er als Ausgangswert für die während des Exspiriums zu verfolgende Druckkurve verwendet werden soll. Auf diese Weise wird ein Sprung in der Druckkurve, der äusserst unerwünscht ist, vermieden. Der Eingang der Messeinrichtung 109 ist an den Ausgang der Druckmesseinrichtung 105'angeschlossen.

Der Zeitgenerator 102 besitzt drei Eingänge, von denen einer, wie bereits erwähnt, mit der Logik 108 verbunden ist. Ein weiterer Eingang ist mit einem äusseren Bedienungselement zur Wahl, bzw. Einstellung der Atemfrequenz verbunden. Der

309842/0388

ORIGINAL INSPECTED

23 1 /,;--56

dritte Eingang des Zeitgenerators 102 ist über eine Korrekturschaltung 111 mit einem äusseren Bedienungselement 112 zur Wahl bzw. Einstellung des zeitlichen Verhältnisses zwischen Inspirium und Exspirium verbunden. Dieses eingestellte Verhältnis wird durch die Korrekturschaltung 111 je nach Bedarf verändert. Zu diesem Zweck ist die Korrekturschaltung 111 mit einer Vergleichsschaltung 113 zum Vergleich des tatsächlich dem Patienten zugeführten Gasvolumen pro Minute (Ist-Minuten-Volumen) mit dem eingestellten Soll-Minutenvolumen verbunden. Das Ist-Volumen wird in einer Integrationsschaltung 114 aus den gemessenen Werten des exspiratorischen Flusses berechnet. Der exspiratorische Fluss wurde zur Berechnung gewählt, weil bei seiner Verwendung der Einfluss eines möglichen Lecks bereits eliminiert ist. Das berechnete Volumen kann über einen Ausgang 115 einer Anzeigeoder Aufzeichnungseinrichtung zugeführt werden.

Die Logikschaltung 108 ist mit einer Vergleichsschaltung Hi verbunden, die einen Vergleich zwischen dem tatsächlichen Druck und dem maxi mal zulässigen Druck sowie zwischen der Anstiegssteilheit des Druckes und einem entsprechenden Maximalwert durchführt. Die beiden Maximalwerte für Druck und Anstiegssteilheit des Druckes werden mit Hilfe von äusseren Bedienungselementen 117 und 118 eingegeben. Zur Erfassung der Istwerte ist die Vergleichsschaltung 116 mit der Druckmesseinrichtung 105' verbunden.

309842/0388

. ORIGINAL INSPECTED

23H356

Die Begrenzung des Buccaldruckes und der .Anstiegssteilheit bzw. -geschwindigkeit des Buccaldruckes wurde vorgesehen, weil ein zu hoher Druck bzw. ein zu. schneller Druckanstieg dem Patienten Schmerzen bereiten kann. So sind beispielsweise bei Rippenverletzungen oder ähnlichen Schäden die Maximalwerte möglichst niedrig einzustellen.

Das von der Druckmesseinrichtung 105' kommende Drucksignal wird einer Anzeige- oder Aufzeichnungseinheit 119 zugeführt.

Wie bereits erwähnt, ist für die Fluss- und die Druckmessung eine automatische Nullstellung vorgesehen. Die automatische Nullstellung ist in den Fluss- und Druckmesseinrichtungen 105, 105'enthalten. Für die Druckmessung wurde die automatische Nullstellung, deren Nullstellungssignal pneumatisch gewonnen wird, bereits beschrieben. Für die Flussmessung wird die Nullstellung vollelektronisch vollzogen. Zu diesem Zweck dient die in Fig. 8 gezeigte Schaltung, die in der Flussmesseinrichtung enthalten ist. Für die Beschreibung der Funktion dieser Schaltung wird auch auf Fig.9 Bezug genommen, die die Signale an verschiedenen mit a - h bezeichneten Punkten der Schaltung wiedergibt.

Am Eingang 120 erhält man aas den respiratorischen Fluss

angebende Signal a, das im wesentlichen vom Thermistor 62 kommt.

309842/0388

231A356

Dieses Signal ist insofern idealisiert, als während des Exspiriums keine Druckänderung im Messpunkt angenommen wurde. In Wirklichkeit ergibt sich auch während des Exspiriums eine Amplitude, die jedoch wesentlich kleiner ist als diejenige während des Inspiriums. Da die Signale, wie anschliessend gezeigt wird, subtrahiert bzw. addiert werden, sind die kleinen Amplituden in der jeweils nicht gemessenen Phase vernachlässigbar.

Am Eingang 121 erhält man das den Flussverlauf während Exspiriums angebende Signal b, das im wesentlichen vom Thermistor kommt, und für das das gleiche gilt, was für das Signal a gesagt wurde. Die beiden Signale a und b haben keine definierte Nulllinie. Von den beiden Eingängen 120 und 121 führt je eine Verbindung zu einer Subtraktionsschaltung 122 und je eine Verbindung zur Additionsschaltung 123. Am Ausgang der Subtraktionsschaltung 122 erhält man das Signal g, das im wesentlichen bereits das Flussignal darstellt, jedoch keine definierte Nullinie besitzt. Am Ausgang der Additionsschaltung 123 ergibt sich das Signal c. Der Ausgang der Additionsschaltung 123 ist mit einem Audioglied 124 verbunden.

Der Eingang des Audioglieds ist über eine Kapazität 125 mit der Basis eines Transistors 126 verbunden, dessen Emitter geerdet ist. Zwischen der Basis des Transistors 126 und Erde liegt ein Widerstand 127. In dieser Schaltung ergibt sich an der Basis des Transistors 126 das Signal d und an seinem

309842/0388

23U356

Kollektor, der den Ausgang des Audioglieds darstellt, das •Signal e. Zur Verbesserung der Genauigkeit wurde im vorliegenden Fall ein Operationsverstärker mit ähnlicher Funktion vorgesehen. Dieses Signal wird einem monostabilen Multivibrator 128 zugeführt, an dessen Ausgang man das Signal f erhält. Mit dem Signal f wird im Prinzip ein Schalter 129 betätigt, der das von der Subtraktioneschaltung 122 kommende Signal bei jedem Wechsel von Inspirations- zu Exspirationsphase und umgekehrt kurzzeitig nach Erde kurzschliesst. Am Ausgang des Schalters 129 erhält man damit das Signal h, das auf diese Weise eine eindeutig definierte Nullinie hat. Das Ausgangssignal h ist das Signal, das zum Zweck der Flussregelung zum Eingang der Steuerschaltung rückgekoppelt und zum Zweck der Volumenberechnung der Integrationsschaltung 114 eingegeben wird.

Durch das System der unterlagerten Regelkreise ergibt sich eine sehr grosse Bandbreite, die zwar nicht voll ausgenützt wird, aber im Arbeitsbereich eine Erhöhung der Genauigkeit gewährleistet.

30984270388

Claims

23U356

Patentansprüche

IJ Beatmungsgerät mit selbsttätiger Regelung des Flusses und des Druckes des Atmungsgases, gekennzeichnet durch eine in unmittelbarer Nähe des Patientenanschlusses (10) angeordnete Fluss- und Druckmesseinrichtung (9) zur Erfassung des Flusses und Druckes des Atmungsgases und Umwandlung dieser Parameter in Elektrische Signale, eine zwischen Atmungsgasquelle und der Fluss- und Druckmesseinrichtung angeordnete Ventilanordnung (2, 3) zur Steuerung von Fluss und Druck des Atmungsgases während Inspiration und Exspiration und eine mit der Messeinrichtung und der Ventilanordnung zusammen einen Regelkreis bildende elektronische Regeleinrichtung (13) zum Vergleich der elektrischen Signale mit Sollwerten und zur Erzeugung eines die Ventilanordnung beeinflussenden Stellsignals.
2. Beatmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung ein Regelventil (2) zur Umschaltung zwischen Inspiration und Exspiration und zum Variieren des Flusses und des Druckes des Atmungsgases während Inspirations- und Exspirationsphase und ein Inspirations/ Exspirationsventil (5) mit einem während der Inspirationsphase vom Regelventil zum Patientenanschluss und einem während der Exspirationsphase vom Patientenanschluss zu einem Ausgang (33) führenden Weg enthält.

309842/0388

23U356
3. Beatmungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil einen Drehschieber enthält, "bestehend aus einem feststehenden, hohlzylindrischen Teil (16), der zwei Bohrungen (23, 24) aufweist, deren Achsen in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene liegen, und einem innerhalb des feststehenden Teils angeordneten drehbaren zylindrischen Teil (21), der eine Bohrung (22) aufweist, deren Achse ebenfalls in der zur Zylinderachse senkrechten Ebene liegt.
4.Beatmungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Teil mit der Welle eines Stellmotors (18) verbunden ist.
5. Beatmungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Welle des Motors und damit mit dem drehbaren Teil eine Einrichtung (27) zur Regelung der Winkelposition des drehbaren Teils verbunden ist.
6. Beatmungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Regelung der Winkelposition einen Drehkondensator enthält.
7. Beatmungsgerät nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Teil in der Bohrung eines Gehäuseblocks (25) sitzt, der Leitungen (1,3,4) enthält, die

309842/0388

23H356

zum Inneren des drehbaren Teils und zu den Bohrungen des feststehenden Teils führen.
8. Beatmungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseblock Teil eines auch das Inspirations/

Exspirations-Ventil und einen Teil der Fluss- und Druckmesseinrichtung enthaltenden Gehäuses ist.
9. Beatmungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Gehäuse aus Kunststoff besteht.
10. Beatmungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspirations/Exspirations-Ventil einen von seinem mit dem Regelventil verbundenen Eingang (30.) zu seinem mit der Messeinrichtung zur Fluss- und Druckmessung verbundenen Anschluss (31) führenden ersten Kanal (28), einen senkrecht dazu angeordneten, den ersten Kanal mit dem Ausgang (33) verbindenden zweiten Kanal (29) und einen konzentrisch zum ersten Kanal im Bereich der Mündung des zweiten Kanals angeordneten umströmten Körper (34) enthält und der umströmte Körper einen mittleren zylindrischen Teil (36), zwei sich an den zylindrischen Teil anschliessende konische Teile (35, 37) und einen von der der Messeinrichtung zugewandten Stirnseite des umströmten Körpers zu dem der Mündung des zweiten Kanals gegenüberliegenden Teil der Mantelfläche des umströmten Körpers führende Bohrung (38) aufweist.

309842/0388
11. Beatmungsgerät nach Atispruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein konzentrisch zur Achse des zweiten Kanals angeordneter und in diesen mündender Kanal (39) vorgesehen ist.
12. Beatmungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des dem Eingang zugewandten konischen Teils des umströmten Körpers strahlenförmig angeordnete Leitwände (40) vorgesehen sind, die gegenüber sie schneidenden Ebenen durch die Achse des ersten Kanals verdreht sind.
13. Beatmungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mittlere zylindrische Teil des umströmten Körpers von einer durch die Achse des zweiten Kanals gelegten, zur Achse des ersten Kanals senkrechten Ebene in Richtung auf den Eingang erstreckt.
14. Beatmungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal eine als Diffusor dienende Aufweitung (32) besitzt.
15. Beatmungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspirations/Exspirations-Ventil aus Kunststoff besteht.

309842/0388

23U356
16. Beatmungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspirations/Exspirations-Ventil Teil eines aus Kunststoff bestehenden und einen Teil des Regelventils sowie einen Teil der Messeinrichtung zur Fluss- und Druckmessung enthaltenden Gehäuses ist.
17. Beatmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Fluss- und Druckmessung einen abgeknickten Kanal (6) enthält, dessen bezüglich der Abknickung äussere Wand (47, 48, 49, 50) zwei einander in der Mitte treffende, vom Kanal aus gesehen konkave Bögen (48, 50) aufweist.
18. Beatmungsgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung vorgesehen ist, die mit einer Druckgas quelle verbundene Kanäle zum Einleiten mindestens eines Gasstroms in den Kanal(6)enthält.
19. Beatmungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei dieser Kanäle (56, 57) im Bereich der genannten Bögen münden, und dass in diesen Kanälen je ein Thermistor (62, 63) zur Flussmessung angeordnet ist.
20. Beatmungsgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungskanäle (64, 65) zwischen den die Thermistoren enthaltenden Kanälen und der Druckgasquelle vorge-

309842/0388

23U356

sehen sind, und dass in den Verbindungskanälen pneumatische Widerstände (66, 67) angeordnet sind.
21. Beatmungsgerät nach Atispruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Thermistoren pneumatische Blenden (59, 61) vorgesehen sind.
22. Beatmungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer im Bereich der Innenwand mündender Kanal (53, 54) vorgesehen ist, der bzw. die mit den die

Thermistoren enthaltenden Kanälen in Verbindung steht bzw. stehen.
23. Beatmungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer, die bei der Innenwand mündenden Kanäle mit der Atmosphäre verbindender Kanal (69) vorgesehen ist, der zum Zweck der Druckmessung an seinem zur Atmosphäre offenen Ende und an seinem anderen Ende je einen Thermistor (75, 74) und eine dazwischen liegende Verbindung (76) mit der Druckgasquelle aufweist.
24. Beatmungsgerät nac_vh Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zur Druckgas que He führenden Leitung und den Thermistoren je ein pneumatischer Widerstand (72, 73) vorgesehen ist.

309842/0388

23U356
25. Beatmungsgerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung zur Druckgasquelle ein pneumatischer Widerstand (77) vorgesehen ist.
26. Beatmungsgerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer den bzw. die bei der Innenwand mündenden Kanäle mit der Atmosphäre verbindender Kanal (78) zur Nullstellung des gemessenen Drucksignals vorgesehen ist, der zwei an einander gegenüberliegenden Punkten in ihn mündende Leitungen (79» 80) aufweist, von denen eine (79) mit der Verbindungsleitung (76) zur Druckgasquelle verbunden ist, während die andere (80) einen Thermistor (82) enthält.
27. Beatmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung mehrere unterlagerte Regelkreise enthält.
28. Beatmungsgerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Regelkreise eine Schaltung zur Plussund Drucksteuerung (101), die Ventilanordnung (2, 5) und die Fluss- und Druckmesseinrichtung (9) enthält und der Regelung des Flusses dient.
29. Beatmungsgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Regelkreis die Schaltung zur Fluss- und Drucksteuerung, die Ventilanordnung und die Messeinrichtung

309842/0388

23U356

enthält und zur Druckregelung dient.
30. Beatmungsgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Fluss- und Drucksteuerung mit einem Kurvengenerator (103) zur Erzeugung einer Sollkurve für den Flussverlauf verbunden ist.
31. Beatmungsgerät nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Fluss- und Drucksteuerung über einen zweiten Eingang mit einem Sollkurvengenerator (104) zur Erzeugung einer Sollkurve für den Druckverlauf verbunden ist.
32. Beatmungsgerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollkurvengenerator mit Bedienungselementen zur Wahl der Kurvenform (106), der Atemfrequenz (110) und des Soll-Minutenvolumens (107) und des Verhältnisses von Inspirium zu Exspirium verbunden ist.
33. Beatmungsgerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollkurvengenerator mit einem Bedienungselement zur Wahl der Kurvenform, mit einem Zeitgenerator (102), mit einer Logikschaltung (108) zur Berücksichtigung von Störungen und mit einer Messeinrichtung (109) zur Messung des endinspiratorischen Druckes verbunden ist.

309842/0388

2314:^56

34· Beatmungsgerät nach einem der Ansprüche 27-33, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Plussmessung eine Vorrichtung zur automatischen Nullstellung des Messignals enthält.

309842/0388

Leerseite