DE4120313C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung der Oszillationsamplitude bei der Hochfrequenzventilation - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Beatmungsgerätetechnik.

Die Hochfrequenzventilation (HFV) mit ihren Modifikationen, wie Hochfrequenz-Oszillationsventilation (HFOV), Hochfrequenz-Jetventilation (HFJV) hat sich als Ergänzung zu den konventionellen Beatmungsformen einen festen Platz im Rahmen der Beatmungstherapie erworben.

Bei der Neugeborenen-Intensivtherapie ist es insbesondere die HFOV, die bei bestimmten Atemstörungen noch einen Gasaustausch ermöglicht, wo konventionelle Beatmungsverfahren bereits versagen.

Die HFOV wird gemäß dem Stand der Technik in den meisten Fällen dadurch erzeugt, daß ein HFO-Generator entweder autonom oder in Kombination mit einem konventionellen Beatmungsgerät eingesetzt wird, der das Oszillationssignal mittels einer Pumpe oder eines Lautsprechersystems erzeugt und dem Patientenanschluß über einen Schlauch zuführt. Ein zusätzlicher "Impedanzschlauch" soll dafür sorgen, daß der größte Teil des Oszillationssignals auch den Atemwegen des Patienten und nicht der "Apparatur" zugeführt wird.

Es ist bekannt, daß über den mittleren Beatmungsdruck (MAP) im wesentlichen der Sauerstoffgehalt und über das oszillatorische Minutenvolumen (OMV) der CO₂-Gehalt im Blut beeinflußt werden kann. Dabei versteht man unter dem OMV das Produkt aus Oszillationsfrequenz und Oszillationsvolumen.

Die Einstellung des MAP ist in den meisten Fällen ohne größere Probleme möglich, eine reproduzierbare Einstellung des OMV hingegen bereitet Schwierigkeiten. Die Ursache hierfür ist z. T. in der nichtidealen Frequenzcharakteristik des Impedanzschlauches zu suchen, infolge deren sich das dem Patienten zugeführte OMV bei Änderungen der atemmechanischen Parameter von Atemwegen und Lunge trotz vorgegebenem OMV des Oszillationsgenerators ändert.

Die Konsequenz ist eine häufige Neueinstellung der Oszillationsparameter in Abhängigkeit von den Blutgaswerten.

Bei Oszillationsgeneratoren, die nicht ein Oszillations­ volumen- sondern ein Oszillationsdruck-Signal generieren, ist diese Abhängigkeit noch viel stärker ausgeprägt, da in diesem Fall das Oszillationsvolumen unmittelbar vom Quotienten aus Oszillationsdruck und Scheinwiderstand des Atemtraktes bestimmt wird.

Oszillationsdruckgeneratoren haben andererseits gegenüber Oszillationsvolumen-Generatoren den Vorteil, daß sie eine eventuelle Spontanatmung des Patienten wegen ihrer geringen Generatorresistance nur wenig behindern.

In DD 2 12 186 wird ein Beatmungsgerät mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art beschrieben, welches neben konventionellen Beatmungsformen auch die HFOV ermöglicht ohne die Notwendigkeit eines Impedanzschlauches. Hierbei erfolgt die Erzeugung des Oszillationsdrucksignales in der Weise, daß einem Druckregelkreis, der den Beatmungsdruck erzeugt, eine Führungsgröße zugeführt wird, die gleich der Summe aus MAP und Oszillationsdrucksignal ist. Nachteilig hierbei ist die fehlende Möglichkeit einer gezielten Einstellung des OMV, da sich letzteres bei konstantem Oszillationsdrucksignal bei Veränderung der atemmechanischen Parameter auch ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Regelung und eine getrennte Einstellung des oszillatorischen Minutenvolumens (OMV) gestattet, unabhängig von den atemmechanischen Parametern des beatmeten Patienten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 dazu angegebenen Merkmale gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Führungsgröße für den Druckregelkreis wird in bekannter Weise aus der Summe von MAP-Sollwert und Oszillationsdrucksignal-Sollwert gebildet, wobei die Amplitude dieses Oszillationsdruck­ signal-Sollwertes jedoch mittels eines OMV-Regelkreises so verändert wird, daß das dem Patienten applizierte oszilla­ torische Minutenvolumen gleich einem vorgegebenen Wert ist.

Zu diesem Zweck erfolgt eine Messung des Volumenstromes der Atmung vom und zum Patienten, z. B. mittels eines Pneumotachographen. Das Volumenstromsignal wird einer Meßschaltung zur Bestimmung des OMV zugeführt. Diese besteht in einer Ausgestaltung der Erfindung aus der Reihenschaltung eines Hochpaßfilters, eines Doppelweggleichrichters und einer Mittelwertschaltung. Mittels des Hochpaßfilters werden die höherfrequenten Oszillationssignale von dem niederfrequenten Volumenstromanteil einer eventuellen Spontanatmung getrennt. Nach dem Hochpaßfilter gelangt das Volumenstromsignal auf einen Zweiweg-Gleichrichter. Das gleichgerichtete Volumenstromsignal enthält im wesentlichen nur die Oszillationsanteile des Volumenstromes. Sein Mittelwert ist gleich dem oszillatorischen Minutenvolumen (OMV). Deshalb wird der Ausgang des Doppelweg-Gleichrichters mit dem Eingang einer Mittelwertschaltung verbunden, die im allgemeinen durch einen Tiefpaß gebildet wird.

Das Ausgangssignal der Mittelwertschaltung ist proportional dem oszillatorischen Minutenvolumen. Es bildet den Istwert für den OMV-Regelkreis und wird auf den einen Summationseingang eines OMV-Reglerverstärkers geführt. Der OMV-Sollwert wird als elektrisches Signal auf den anderen Eingang des OMV-Reglerverstärkers gegeben. Der Ausgang des OMV-Reglerverstärkers ist mit dem einen Eingang einer Multiplizierschaltung verbunden, während dem anderen Eingang der Multiplizierschaltung ein Oszillationssignal konstanter Amplitude und vorgegebener Wellenform zugeführt wird. Als OMV-Reglerverstärker kommt ein P-Regler, I-Regler, vorzugsweise jedoch ein PI-Regler zur Anwendung.

Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung stellt die Oszillationskomponente der Führungsgröße dar. Es wird, gegebenenfalls über einen Trennkondensator, über einen Schalter, insbesondere einen Analogschalter auf den Summationseingang des Reglerverstärkers für den Druckregelkreis geführt. Der Schalter wird über ein Steuersignal ein- oder ausgeschaltet, je nachdem, ob HFOV erwünscht ist oder nicht.

Es muß dafür gesorgt werden, daß sich der Integrationskondensator des OMV-Reglerverstärkers (I-Regelverhalten) bei abgeschalteter HFOV nicht auflädt. Zu diesem Zwecke wird dieser über einen zweiten Schalter kurzgeschlossen, solange HFOV ausgeschaltet ist. Der zweite Analogschalter öffnet bei eingeschalteter HFOV. Die Steuerung erfolgt über ein Steuersignal vom Beatmungsmustergenerator in gleicher Weise wie beim ersten Schalter.

Bei nicht exakt abgeglichenem Nullpunkt des OMV- Reglerverstärkers, z. B. bei gering negativer Nullpunkt- Ausgangsspannung des Reglerverstärkers kann es zu einer Inversion des Multiplizierer-Ausgangssignales kommen, was zur Instabilität des OMV-Regelkreises führt. Man vermeidet dies durch Zwischenschalten einer Nichtlinearität, z. B. eines Einweggleichrichters zwischen OMV-Reglerverstärker und Multiplizierer.

Wenn auf Grund hoher Atemwegsresistance oder bei sehr kleiner Lungencompliance das vorgegebene OMV nicht erreicht werden kann, geht der OMV-Reglerverstärker in die Begrenzung und ist damit nicht mehr in der Lage, das Oszillationssignal weiter zu erhöhen. Überschreitet das Ausgangssignal des OMV- Reglerverstärkers einen bestimmten Grenzwert, so kann dies von einer nachfolgenden Grenzwerterkennung als Begrenzung erkannt und alarmiert werden. Natürlich kann hierfür auch das Ausgangssignal des Einweggleichrichters benutzt werden.

Die Bestimmung des Volumenstromsignales kann mit allen dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, wie mit Pneumotachographen, Anemometern, auf Messung des Staudruckes basierenden Prinzipien usw. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Totraum des Volumenstromsensors minimal ist.

Das Wirkungsprinzip kann auch mittels eines Digitalrechners realisiert werden. Ausgehend von dem Volumenstromsignal sind die notwendigen Programmschritte wie folgt:

• - digitale Hochpaß-Filterung mit einer unteren Grenzfrequenz oberhalb 2 Hz,
• - Betragbildung und Integration,
• - Realisierung eines P-, I- oder PI-Regelalgorithmus′,
• - multiplikative Verknüpfung der Reglerausgangsgröße mit dem Oszillationssignal zur Ansteuerung des Druckregelkreises.

Die Vorteile der Erfindung gegenüber bekannten Verfahren liegen in der Möglichkeit einer von der atemmechanischen Situation des Patienten nahezu unabhängigen Einstellbarkeit von MAP und OMV und damit einer günstigeren Beeinflußbarkeit der Blutgaswerte des beatmeten Patienten.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild.

Das konditionierte Atemgas gelangt über einen Injektor 11 zu einem elektrodynamisch betriebenen Stellventil 12. Vom Unter­ druckausgang des Injektors 11 strömt es über einen Volumenstromsensor 13 zum Tubuskonnektor 15. Die Messung des Beatmungsdruckes erfolgt mittels des Drucksensors 14 in unmittelbarer Tubusnähe.

Es ist der Druckregelkreis wirksam, d. h. der Ausgang des Drucksensors, der den Druck-Istwert liefert, ist mit dem einen Eingang des Reglerverstärkers 10 für den Druckregelkreis verbunden. Der Ausgang des Reglerverstärkers 10 steuert das Stellventil 12 und verändert es in der Weise, daß Soll- und Istwert übereinstimmen.

Der Druck-Sollwert setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, dem Oszillations-Sollwert und dem Mitteldruck-Sollwert. Der Mitteldruck-Sollwert wird vom Atemmustergenerator 7 bereitgestellt. Zu diesem Zwecke ist ein Ausgang des Atemmustergenerators 7 mit einem weiteren Eingang des Reglerverstärkers 10 verbunden.

Der OMV-Regelkreis wird durch folgende Schaltungsanordnung gebildet:

Der Ausgang des Volumenstromsensors 13 ist mit dem Eingang des Hochpaßfilters 1, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Doppelweggleichrichters 2 und dessen Ausgang wiederum mit dem Eingang eines Mittelwertbildners 3 verbunden.

Hochpaßfilter 1, Doppelweggleichrichter 2 und Mittelwert­ bildner 3 bilden die OMV-Meßschaltung 19.

Das Ausgangssignal des Mittelwertbildners 3 geht auf einen Eingang des OMV-Reglerverstärkers 4 für das oszillatorische Minutenvolumen, der im Ausführungsbeispiel als I-Regler ausgeführt ist. Das Ausgangssignal des OMV-Reglerverstärkers 4 gelangt über einen Einweggleichrichter 5 auf den einen Eingang des Multiplizierers 6. Der Ausgang des Multiplizierers 6 ist über den Schalter 9 und den Kondensator 17 mit dem Steuereingang für das Oszillationssignal 20 verbunden, der durch den dritten Eingang des Reglerverstärkers 10 gebildet wird.

Der OMV-Sollwert wird im Ausführungsbeispiel als Spannung von einem Potentiometer 18 bereitgestellt, er kann jedoch auch vom Atemmustergenerator 7 angeboten werden.

Der Kondensator 16 des OMV-Reglerverstärkers 4 wird von einem Schalter 8 überbrückt. Das Steuersignal OSZ, z. B. vom Atemmustergenerator 7 kommend, ist bei gewünschter HFOV auf HIGH.

Es schaltet den Schalter 8 aus und den Schalter 9 ein. Bei Anliegen des Signales/OSZ schließt Schalter 8 den Kondensator 16 kurz und Schalter 9 wird ausgeschaltet.

Im Ausführungsbeispiel sind die Schalter 8 und 9 als Analogschalter ausgeführt.

Auf den zweiten Eingang des Multiplizierers 6 gelangt, im Ausführungsbeispiel vom Atemmustergenerator 7, ein Oszillationssignal vorgegebener Frequenz, Wellenform und Amplitude, vorzugsweise in Form eines Sinussignales. Die Bereitstellung des Oszillationssignales kann in beliebiger, dem Fachmann vertrauter Weise erfolgen.

Der Ausgang des OMV-Reglerverstärkers 4 ist mit dem Eingang einer Grenzwerterkennung 21 verbunden, die bei Nichterreichen des OMV-Sollwertes optischen und/oder akustischen Alarm signalisiert.

Bezugszeichenliste

 1 Hochpaß
 2 Doppelweggleichrichter
 3 Mittelwertbildner
 4 OMV-Reglerverstärker
 5 Einweggleichrichter
 6 Multiplizierer
 7 Atemmustergenerator
 8 Schalter
 9 Schalter
10 Reglerverstärker
11 Injektor
12 Stellventil
13 Volumenstromsensor
14 Drucksensor
15 Tubuskonnektor
16 Kondensator
17 Kondensator
18 Potentiometer
19 OMV-Meßschaltung
20 Steuereingang für das Oszillationsdrucksignal
21 Grenzwerterkennung

OMV Oszillatorisches Minutenvolumen
MAP Mean airway pressure
HFOV High frequency oscillation ventilation
OSZ Steuersignal für die Einschaltung der Oszillation

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung der Oszillations-Amplitude bei der Hochfrequenzventilation, basierend auf einem Beatmungsgerät, dessen Beat­ mungsdruck durch elektrische Signale in definierter Weise gesteuert werden kann und das zu diesem Zweck einen Steuereingang für ein Oszillationsdrucksignal besitzt, welches weiterhin einen Sensor zur patientennahen Messung des Volumenstromes der Atmung sowie einen Atemmustergenerator aufweist, der einen Mitteldruck- Sollwert (MAP) sowie ein elektrisches Oszillationssignal mit vorgegebener Form, Amplitude und Frequenz erzeugt, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang des Volumenstromsensors (13) an den Eingang einer OMV-Meßschaltung (19), deren Aus­ gang mit einem Eingang eines OMV-Reglerverstärkers (4) und dessen Aus­ gang mit einem Eingang eines Multiplizierers (6) verbunden sind, angeschlossen ist, daß der Ausgang des Multiplizierers (6) über einen Schalter (9) mit dem Steuereingang für das Oszillationsdrucksignal (20) und der zweite Eingang des Multiplizierers (6) mit dem Ausgang des Atemmustergenerators (7) verbunden sind, der das elektrische Oszillationssignal vorgebbarer Frequenz und Amplitude bereitstellt, und daß der zweite Eingang des OMV-Reglerver­ stärkers (4) mit einem OMV-Sollwert beaufschlagt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die OMV- Meßschaltung (19) aus der Reihenschaltung eines Hochpaßfilters (1), eines Doppel­ weggleichrichters (2) und eines Tiefpaßfilters (3) besteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Aus­ gang des OMV-Reglerverstärkers (4) mit dem einen Eingang des Multiplizierers (6) über einen Einweggleichrichter (5) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der OMV-Reglerverstärker (4) als I- oder PI-Regler ausgeführt ist, wobei der Integrationskondensator (16) mit einem Schalter (8) überbrückt ist, der bei erwünschter Oszillation ausgeschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Ausgang des Schalters (9) und dem Steuereingang für das Oszillations­ drucksignal (20) ein Trennkondensator (17) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang des OMV-Reglerverstärkers (4) mit dem Eingang einer Grenzwerterkennung (21) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang des Einweggleichrichters (5) mit dem Eingang einer Grenzwerterkennung (21) verbunden ist.