DE69333719T2

DE69333719T2 - System zur Steuerung eines periodisch arbeitenden Beatmungsgerätes

Info

Publication number: DE69333719T2
Application number: DE69333719T
Authority: DE
Inventors: Fernando J. San Marcos Isaza; Stanley Y. Oceanside Wong
Original assignee: Puritan Bennett Corp
Current assignee: Puritan Bennett Corp
Priority date: 1992-02-12
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2013-02-06
Also published as: US5271389A; EP0560490B1; JP3442419B2; EP0560490A1; CA2089343A1; DE69333719D1; US5319540A; JPH05337185A; CA2089343C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes/geregeltes Beatmungssystem, um einem Patienten Beatmungsgas bereitzustellen, sowie ein verbessertes System zur diskreten Zeitsteuerung/-regelung des Beatmungsstroms während der Atemzüge des Patienten.
Beschreibung des zugehörigen Fachgebiets
Beatmungssysteme für die Atmung stellen herkömmlich einem Patienten Beatmungsgas zur druckgestützten Atmungsunterstützung bei einem Druckunterstützungsniveau in Höhe von 70 cm Wassersäule (6900 Pa) oder einem Minimaldruck von üblicherweise nicht mehr als 2 cm Wassersäule (200 Pa) oberhalb der Basislinie bereit.
Herkömmliche Beatmungsvorrichtungen stellen typischerweise eine Einatmungsunterstützung in regelmäßigen Intervallen oder in durch einen spontanen Einatmungsversuch des Patienten ausgelösten Intervallen bereit. Fehler bei der Zufuhr von Gasströmung verglichen mit der erwünschten Gasströmung zur geeigneten Zeit können aufgrund einer Verzögerungszeit zwischen dem Beginn eines Einatmungsversuches des Patienten und der tatsächlichen Ventilreaktionszeit, aufgrund des Ansprechverhaltens des Reglers sowie aufgrund von Ventilverstärkungsvariationen auftreten. Obwohl typische Strömungssteuerungs-/-regelungseinrichtungen eine vorwärts koppelnde Strömungssteuer/-regel-Verstärkungskomponente sowie verschiedene Typen von Rückkopplungsfehlerkorrekturen, wie proportionale, integrale oder Ableitungsfehlerregelung, zur Kompensation von Echtzeitstörungen, die in dem System auftreten können, verwenden können, kommt es bei solchen Systemen häufig zu Schwierigkeiten bei der Korrektur irgendwelcher nachhaltiger Fehler, die periodisch in dem System auftreten.
Eine portable Beatmungseinrichtung ist in der WO 89/10768 beschrieben, in welcher ein Mikrocomputer verwendet wird, um die Geschwindigkeit eines Kompressors zu steuern/regeln, der dazu verwendet wird, einem Individium Luftvolumina zuzuführen.
Bis kürzlich erschwerte eine solche Ungenauigkeit in der Strömungssteuerung/-regelung von Beatmungsvorrichtungen eine Anwendung der Beatmungsvorrichtungen für Kinder und neugeborene Patienten. Es wäre daher wünschenswert ein System für eine adaptive Reaktion auf periodische Störungen in einem Beatmungsströmungssystem bereitzustellen, welches auf einer früheren Systemleistung basiert und bei welchem die Korrektur eine Integration von Strömungsratenfehlern während aller vorhergehender Atemzug-Regelintervalle für einen Patienten enthält. Es wäre wünschenswert, wenn jedes Regelintervall der unterstützten Beatmung des Patienten durch eine Korrekturkomponente beeinflusst wäre, so dass die Ausgangsströmungsrate den tatsächlichen Anforderungen an das System entspricht.
Ein hauptsächlicher Faktor bei der Unterstützung der Atmung eines Patienten ist die Energie, welche ein Patient benötigt, um einen angemessenen Strom an Beatmungsgas auszulösen und zu erhalten. Es wäre daher wünschenswert, die Genauigkeit der Strömungssteuerung/-regelung zu verbessern, um diesen Energieaufwand bei der Durchführung der Atmung zu reduzieren.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein System zur Bereitstellung einer Korrektur für ein ein Strömungssteuerventil in einem Beatmungssystem steuerndes Signal bereit. Es wird daran gedacht, dass die Korrekturkomponente die Differenz zwischen der Soll-Strömungsrate und der gelieferten Ist-Strömungsrate für jedes Regelintervall für jeden Atemzug mit der Summe früherer Fehler, die demselben Regelintervall der früheren Atemzüge entsprechen, integriert, um ein korrigiertes Strömungsanweisungssignal zu erzeugen, welches in dem entsprechenden geeigneten Intervall an das Strömungssteuerventil anzulegen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Steuern/Regeln der Strömungsrate eines durch ein Beatmungssystem zugeführten Beatmungsgases zum Unterstützen von Atemzügen eines an dem Beatmungssystem intubierten Patienten bereitgestellt, wobei das Beatmungssystem umfasst: eine Quelle für Beatmungsgas, einen Strömungsweg für das Beatmungsgas, welcher mit dem Patienten in Fluidverbindung steht, ein Strömungssteuerventil zum Steuern/Regeln der Strömungsrate in dem Strömungsweg sowie einen Strömungssensor in dem Strömungsweg zum Messen der Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg, wobei das Steuer/Regelsystem Regelmittel zum Erzeugen eines Regelsignals umfasst, um das Strömungssteuerventil wenigstens einmal in einem vorbestimmten Regelintervall (n) in einem Atemzug (k) zu betätigen, sodass für jedes der Regelintervalle (n, n + 1, ...) in dem Atemzug in dem Strömungsweg eine Soll-Strömungsrate bereitgestellt wird, wobei die Regelmittel mit dem Strömungssensor verbunden sind und umfassen:

a) Mittel zum Erzeugen eines Eingangsströmungssteuer-/-regelsignals auf Grundlage der Soll-Strömungsrate für jedes Regelintervall (n, n + 1, ...) in einem momentanen Atemzug (k),
b) Mittel zum Erzeugen eines Strömungsratensignals, welches die Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg repräsentiert,
c) Mittel zum Vergleichen des Strömungsratensignals mit dem Eingangsströmungssteuer-/-regelsignal und zum Erzeugen eines Momentanfehlersignals (error(n)(k)), welches die Differenz zwischen der Ist-Strömungsrate und der Soll-Strömungsrate für jedes Regelintervall (n, n + 1, ...) in dem Atemzug (k) repräsentiert,
d) Mittel zum Summieren jedes Momentanfehlersignals für jedes Regelintervall in dem Atemzug mit einer Summe aller vorhergehenden Fehlersignale, welche in den zugehörigen Regelintervallen (n, n + 1, ...) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...) aufgetreten sind, um ein momentanes Korrektursignal (sum(n + 1)(k – 1)), welches die Summe aller vorhergehenden, im zugehörigen nächsten Intervall (n + 1) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...) aufgetretenen Fehlersignale ist, und ein künftiges Korrekturkomponentensignal (sum(n)(k)) für das zugehörige Regelintervall (n) in einem nächsten Atemzug (k + 1) zu erzeugen,
e) Mittel zum Speichern des vorliegenden und des künftigen Korrekturkomponentensignals als die Summe aller vorhergehenden Fehlersignale für jedes geeignete Regelintervall (n, n + 1, ...) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...),
f) Mittel zum Integrieren des Momentanfehlersignals und des vorliegenden Korrekturkomponentensignals, um ein integriertes vorliegendes Korrekturkomponentensignal (Int. Cmd(n)(k)) zu erzeugen, sowie
g) Mittel zum Summieren des Eingangsströmungssteuer/regelsignals und des integrierten vorliegenden Korrekturkomponentensignals (Int. Cmd(n)(k)), um ein Strömungsanweisungssignal (Cmd(n)(k)) für das Strömungssteuerventil zu erzeugen.

Ferner werden vorzugsweise auch Mittel bereitgestellt, um das Eingangsströmungssteuer-/-regelsignal so zu modifizieren, dass es eine vorbestimmte vorwärtskoppelnde Ventilverstärkungskomponente enthält, sodass für jedes Regelintervall (n) jedes Atemzugs (k) ein korrigiertes Eingangsströmungssteuer/regelsignal (FF Cmd(n)(k)) erzeugt wird, wobei die Mittel zum Summieren das korrigierte Eingangsströmungssteuer-/-regelsignal (FF Cmd(n)(k)) mit dem integerierten vorliegenden Korrekturkomponentensignal (Int. Cmd.(n)(k)) summieren, um ein Strömungsanweisungssignal (Cmd(n)(k)) für das Strömungssteuerventil zu erzeugen.
Es wird daran gedacht, dass ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Strömungsrate für ein durch ein Beatmungssystem zugeführtes Beatmungsgas zum Unterstützen von Atemzügen eines an dem Beatmungssystem intubierten Patienten bereitgestellt werden kann, wobei das Beatmungssystem umfasst: eine Quelle für Beatmungsgas, einen Strömungsweg für das Beatmungsgas, welcher mit dem Patienten in Fluidverbindung steht, ein Strömungssteuerventil zum Steuern/Regeln der Strömungsrate in dem Strömungsweg, Regelmittel zum Erzeugen eines Regelsignals, um das Strömungssteuerventil wenigstens einmal in einem vorbestimmten Regelintervall (n) in einem Atemzug (k) zu betätigen, sodass für jedes der Regelintervalle (n, n + 1, ...) in dem Atemzug in dem Strömungsweg eine Soll-Strömungsrate bereitgestellt wird, sowie mit den Regelmitteln verbundene Mittel zum Messen der Strömungsrate in dem Strömungsweg und zum Erzeugen eines die Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg repräsentierenden Strömungssteuer-/-regelsignals, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Erzeugen eines Eingangsströmungssteuer-/-regelsignals auf Grundlage der Soll-Strömungsrate für jedes Regelintervall (n, n + 1, ...) in einem momentanen Atemzug (k),
b) Messen der Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg und Erzeugen eines Strömungsratensignals, welches die Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg repräsentiert,
c) Vergleichen der Strömungsrate in dem Strömungsweg mit der Soll-Strömungsrate in dem Strömungsweg und Erzeugen eines Momentanfehlersignals (error(n)(k)), welches die Differenz zwischen der Ist-Strömungsrate und der Soll-Strömungsrate für jedes Regelintervall (n, n + 1, ...) in dem Atemzug (k) repräsentiert,
d) Summieren jedes Momentanfehlersignals für jedes Regelintervall in dem Atemzug mit einer Summe aller vorhergehenden Fehlersignale, welche in den zugehörigen Regelintervallen (n, n + 1, ...) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...) aufgetreten sind, um ein momentanes Korrektursignal (sum(n + 1)(k – 1)), welches die Summe aller vorhergehenden, im zugehörigen nächsten Intervall (n + 1) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...) aufgetretenen Fehlersignale ist, und ein künftiges Korrekturkomponentensignal (sum(n)(k)) für das zugehörige Regelintervall (n) in einem nächsten Atemzug (k + 1) zu erzeugen,
e) Speichern des vorliegenden und des künftigen Korrekturkomponentensignals als die Summe aller vorhergehenden Fehlersignale für jedes geeignete Regelintervall (n, n + 1, ...) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...),
f) Integrieren des Momentanfehlersignals und des vorliegenden Korrekturkomponentensignals, um ein integriertes vorliegendes Korrekturkomponentensignal (Int. Cmd(n)(k)) zu erzeugen, sowie
g) Summieren des Eingangsströmungssteuer/regelsignals und des integrierten vorliegenden Korrekturkomponentensignals (Int. Cmd(n)(k)), um ein Strömungsanweisungssignal (Cmd(n)(k)) für das Strömungssteuerventil zu erzeugen.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Modifizierens des Eingangsströmungssteuer-/-regelsignals, sodass es eine vorbestimmte vorwärtskoppelnde Ventilverstärkungskomponente enthält, sodass für jedes Regelintervall (n) jedes Atemzugs (k) ein korrigiertes Eingangsströmungssteuer/regelsignal (FF Cmd(n)(k)) erzeugt wird, wobei der Schritt des Summierens das Summieren des korrigierten Eingangsströmungssteuer-/-regelsignals (FF Cmd(n)(k)) mit dem integerierten vorliegenden Korrekturkomponentensignal (Int. Cmd.(n)(k)) umfasst, um ein Strömungsanweisungssignal (Cmd(n)(k)) für das Strömungssteuerventil zu erzeugen.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche beispielhaft die Merkmale einer Ausführungsform der Erfindung illustrieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung eines herkömmlichen Beatmungssystems;
2 ist eine Blockdarstellung einer Steuer-/Regeleinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
3 ist eine Blockdarstellung eines Strömungssteuerungs-/-regelungs-Korrektursystems als Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine grafische Darstellung, welche ein Strömungsverhalten einer Steuer-/Regeleinrichtung gemäß dem Stand der Technik zeigt;
5 ist eine grafische Darstellung eines Strömungsverhaltens einer Steuer-/Regeleinrichtung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß der Illustration in 3 ist; und
6 ist ein Diagramm, welches die Genauigkeit der Bereitstellung einer Strömung für eine Steuer-/Regeleinrichtung des Stands der Technik mit der einer Steuer-/Regeleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vergleicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie in den Zeichnungen zu Illustrationszwecken gezeigt ist, ist die Erfindung in einem System zum Bereitstellen einer korrigierten Strömungssteuerung/-regelung von durch ein Beatmungssystem bereitgestelltem Beatmungsgas zur Verbesserung der Genauigkeit der durch das System gelieferten Strömungsrate und zum Reduzieren der Anstrengungen des Patienten beim Atmen ausgeführt. Das Strömungssteuerungs-/-regelungs-Korrektursystem kann in einem offenen oder einem geschlossenen Patientenbeatmungssystem verwendet werden, welches eine Quelle von Beatmungsgas, einen ein Beatmungsgas einem an dem Beatmungssystem intubierten Patienten zuführenden Strömungsweg, ein Strömungssteuerventil zum Steuern der Strömungsrate in dem Strömungsweg, Regelmittel zum Erzeugen eines Regelsignals zum Betätigen des Strömungssteuerventils wenigstens ein Mal in einem vorbestimmten Regelintervall in einem Atemzug, um eine Soll-Strömungsrate in dem Strömungsweg für jeden durch das Beatmungssystem unterstützten Atemzug zuzuführen, sowie einen mit den Steuer-/Regelmitteln verbundenen Strömungssensor in dem Strömungsweg zum Messen der Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg aufweist. Ein Eingangssignal welches auf der Strömungsrate von Beatmungsgas basiert, die zum Unterstützen der Atmung eines Patienten notwendig ist, wird durch das illustrierte Strömungssteuerungs-/-regelungs-Korrektursystem korrigiert, um dem Strömungssteuerventil ein Strömungsanweisungssignal bereitzustellen.
Das Beatmungsgas ist vorzugsweise mit Sauerstoff einer höheren Konzentration als normal angereichert, so dass die Beatmungsgasquelle mehr als eine individuelle Gasquelle enthalten kann und außerdem eine Einrichtung zum Mischen verschiedener Anteile der einzelnen Gase enthalten kann.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 umfasst demnach ein beispielhaftes Beatmungssystem 10 gemäß dem Stand der Technik, auf welches das Strömungssteuerungs-/-regelungs-Korrektursystem angewendet werden kann, typischerweise eine Sauerstoffgasquelle 12, die typischerweise ein unter Druck stehender Sauerstofftank ist, sowie eine Luftquelle 14, die ebenfalls aus einem Hochdrucktank oder einem Luftkompressor gebildet sein kann und Luft je nach Bedarf aus der umgebenden Atmosphäre zuführen kann. Andere herkömmliche Quellen für unter Druck stehende(n) Sauerstoff und Luft in Krankenhauseinrichtungen wären ebenfalls geeignet. Die Sauerstoffquelle ist durch eine Leitung 16 mit einem elektromagnetischen Proportionalventil 18 verbunden, welches wiederum durch eine Leitung 19 mit einer Mischkammer 20 verbunden ist. Ein Strömungssensor 21 ist vorzugsweise in der Leitung 19 angebracht oder mit dieser verbunden, um die Strömungsrate des der Mischkammer tatsächlich zugeführten Sauerstoffs zu messen. In ähnlicher Weise ist die Luftquelle über eine Luftzufuhrleitung 22 mit einem elektromagnetischen Proportionalventil 24 verbunden, um je nach Bedarf der Mischkammer über die Leitung 23 Luft zuzuführen, wobei die Leitung 23 ebenfalls vorzugsweise einen Strömungssensor 25 zum Messen der tatsächlichen Rate der der Mischkammer zugeführten Luftströmung aufweist. Außer elektromagnetischen Proportionalventilen können auch andere Ventile geeignet sein, welche in einer ähnlichen Weise funktionieren. Die gemischten Gase können dann dem Patienten über den allgemein mit 26 bezeichneten Luftweg zugeführt werden. Der Patientenluftweg kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Leitung 27, eine Patienten-Y-Kopplung 30 sowie zugehörige Leitungen zur Einatmung und Ausatmung umfassen. Der Patientenluftweg 26 kann außerdem ein Strömungssteuerventil 28 für den Patientenluftweg umfassen, welches die Strömungsrate von Beatmungsgas durch die Patienten-Y-Kopplung 30 steuert. Ein Strömungsraten- und/oder Drucksensor 32 ist typischerweise innerhalb des Patientenluftwegs angeordnet, um die Strömungsrate oder das Druckniveau von dem Strömungssteuerventil durch den Patientenluftweg zu messen. In einer derzeitig bevorzugten Ausführungsform kann der Sensor 32 stromabwärts der Y-Kopplung 30 angeordnet sein.
Unter Bezugnahme auf 2 ist der Strömungsratensensor mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 34 verbunden, um das Strömungssteuerventil auf Grundlage eines Eingangssignals 36 zu steuern/regeln, welches die Soll-Strömungsrate repräsentiert, die auf einer Atmungsanforderung des Patienten, auf Grundlage der in der Patienten-Y-Kopplung gemessenen Strömungsrate und/oder des in der Patienten-Y-Kopplung gemessenen Drucks, basieren kann oder welche ein einen vorbestimmten Strömungspegel repräsentierender, gespeicherter Wert sein kann. Die Patienten-Y-Kopplung umfasst typischerweise auch einen Strömungsweg für die Ausatmung (nicht gezeigt), welcher ebenfalls wunschgemäß überwacht werden kann.
Die elektronische Steuer-/Regeleinrichtung 34 des Stands der Technik, welche detaillierter in 2 gezeigt ist, umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor zum Steuern/Regeln aller Funktionen des Beatmungssteuer-/-regelsystems und ist außerdem vorzugsweise mit den Strömungsventilen 18 und 24 für die Sauerstoff- und Luftzufuhr, den Strömungsratensensoren 21 und 25 sowie irgendwelchen zusätzlichen Strömungsmessgeräten, wie einem Ausatmungsströmungsmessgerät, verbunden. Außerdem vergleicht die elektronische Steuer-/Regeleinrichtung 34 typischerweise die Strömungsrate in der Patienten-Y-Kopplung mit einem vorbestimmten Strömungsschwellenpegel, um Veränderungen in der Strömung aufgrund von Einatmungsbestrebungen des Patienten sowie Ausatmungsbestrebungen des Patienten zum Zwecke der Auslösung einer Einleitung der Steuerung/Regelung für den Soll-Betrieb des Strömungssteuerventils 28 für den Patientenluftweg zu erfassen und um notwendige Korrekturen des Eingangssignals für eine Soll-Strömungsrate zum Erzeugen eines Anweisungssignals für das Strömungssteuerventil des Patientenluftwegs zu bestimmen, so dass in dem Patientenluftweg eine Ist-Strömungsrate erzeugt wird, die bei der Sollrate liegt. Die elektronische Steuer-/Regeleineinrichtung steuert/regelt ebenfalls vorzugsweise die proportionale Mischung durch Sauerstoff und Luftzuleitungsventile und stellt das Strömungssteuerventil für den Patientenluftweg auf den geeigneten Zustand ein, wenn Ausatmungsbestrebungen des Patienten erfasst werden.
Die Energie die durch einen Patienten aufgebracht wird, während er an einer mechanischen Beatmungsvorrichtung atmet, steht nicht nur mit der für die Auslösung einer Gaszufuhr durch die Beatmungsvorrichtung benötigten Energie im Zusammenhang, sondern steht außerdem im direkten Zusammenhang mit der Genauigkeit des dem Patienten zugeführten Gasvolumens. Das Strömungssteuerungs-/-regelungs-Korrektursystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist derart konfiguriert, dass es die Genauigkeit der Steuerung/Regelung der Strömungsrate des dem Patienten zugeführten Gases verbessert, so dass die Energie, welche durch den Patienten beim Atmen aufgebracht werden muss, reduziert wird. Dies wird erreicht, indem die Zeitperiode von einem Atemzug zum nächsten in eine Anzahl von Regelintervallen aufgeteilt wird und eine Korrekturkomponente für jedes Regelintervall in dem Atemzug in solcher Weise implementiert wird, dass für jeden Atemzug des Patienten die Genauigkeit der Zufuhr sowie die Reaktion des Systems verbessert werden. Die Korrekturkomponente ermöglicht es dem Steuer-/Regelsystem eine adaptive Reaktion zur Kompensierung nachhaltiger Fehler, die dem gesteuerten/geregelten System inhärent innewohnen, sowie periodischer Störungen bereitzustellen, und zwar in einer Weise, in der es einer herkömmlichen Steuer-/Regeleinrichtung nicht möglich ist.
Wie in 2 illustriert ist, umfasst die Strömungssteuer-/-regeleinrichtung 34 des Stands der Technik typischerweise Verstärkungsmittel mit proportionaler Verstärkung 38, wie einen einstellbaren Verstärkerschaltkreis oder dergleichen, welcher derart geschaltet ist, dass sie das Fehlersignal 37 empfängt, um dem Fehlersignal 37 eine proportionale Verstärkungskomponente hinzuzufügen, so dass ein Basis-Strömungsraten-Anweisungssignal 39 für das Strömungssteuerventil 28 erzeugt wird. Der Strömungsratensensor 32 erzeugt ein Strömungsratenmesssignal 43, welches im Vergleicher-Summierer-Element 40 mit dem Soll-Strömungssignal verglichen wird, um ein Fehlersignal 37 zu erzeugen, welches dann typischerweise durch ein Integralverstärkungselement 41a verstärkt und durch ein herkömmliches Integrationselement 41b mit vorhergehenden Fehlersignalen integriert wird und welches dann durch das Summierelement 42 mit dem Basis-Verstärkungs-Anweisungssignal summiert wird, um ein integriertes proportionales Anweisungssignal 39 dem Strömungssteuerventil 28 bereitzustellen.
Wie in 3 illustriert ist, umfasst das Strömungssteuerungs-/-regelungs-Korrektursystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise ein Mittel zum Integrieren früherer Strömungsratenzuführungsfehler als Korrekturkomponente für jedes Regelintervall innerhalb jedes Atemzugs. Diese Korrekturkomponente wird vorzugsweise zu dem momentanen Fehler bei der Zuführung einer Strömungsrate für den Atemzug eines Patienten addiert, um ein Signal bereitzustellen, welches einem herkömmlichen Integrationselement eingegeben wird, welches die in den vorhergehenden Regelintervallen erzeugten Signale innerhalb dieses Atemzugs integriert. Die Korrekturkomponente wird vorzugsweise ferner zu einer vorwärts koppelnden Strömungssteuerventil-Verstärkungskomponente addiert, um ein korrigiertes Anweisungssignal zum Erzielen der Soll-Strömungsrate bereitzustellen.
Somit ist eine Steuer-/Regeleinrichtung 134, in welcher die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung implementiert ist, dafür eingerichtet, anstelle der Steuer-/Regeleinrichtung 34 des Stands der Technik in einem herkömmlichen Beatmungssystem 10 verwendet zu werden. Ein Soll-Strömungsrateneingangssignal 36 für eine Sollströmung in einem Atemzugregelintervall Nummer [n] für einen bestimmten Atemzug Nummer [k] wird vorzugsweise durch ein vorwärtskoppelndes Ventilverstärkungsmittel 138, wie einer Verstärkungsschaltung oder dergleichen empfangen, um für das Soll-Strömungsrateneingangssignal eine vorwärtskoppelnde Ventilströmungsraten-Verstärkungskomponente zu erzeugen, um anfängliche Widerstände und Beschränkungen des Systems bei der Lieferung von Strömungsanforderungen des Patienten vor dem Aufbau einer geeigneten Regelung zu überwinden. Alternativ kann das vorwärtskoppelnde Verstärkungselement 138 weggelassen werden, obwohl das Steuer-/Regelsystem in dieser Konfiguration weniger effizient arbeiten würde.
Das durch das Strömungsmessgerät 32 erzeugte Strömungsratenmesssignal für jedes Regelintervall in einem Atemzug wird von dem Vergleicher-Summierer-Element 140 empfangen, welches das Eingangssignal 36 mit dem tatsächlichen Strömungsratenmesssignal vergleicht, um das momentane Strömungsratenfehlersignal [n][k] für das momentane Regelintervall Nummer [n] in dem momentanen individuellen Atemzug Nummer [k] zu erzeugen. Das momentane Strömungsratenfehlersignal wird von dem Summierelement 132 empfangen, welches die augenblicklichen Momentanfehlersignale für jedes Regelintervall in einem Atemzug mit der Summe aller vorhergehenden entsprechenden Fehlersignale, die vor dem momentanen Atemzug Nummer [k] aufgetreten sind, summiert. Diese Summe des Momentanfehlersignals (error[n][k]) für das momentane Regelintervall und aller vorhergehender Fehlersignale (sum[n][k – 1]) für das momentane Intervall wird in einem Speicher oder in Speichermitteln 144 zur Verwendung als ein kumulatives Fehlersignal für das entsprechende Regelintervall [n] des nächsten Atemzugs [k + 1] gespeichert. Das kumulative Fehlersignal (sum[n][k – 1]) repräsentiert nachhaltige Fehler, welche periodisch in dem System auftreten. Das Summierelement 146 empfängt das Momentanfehlersignal [n][k] für das Regelintervall in einem Atemzug von dem Summierelement 140 und summiert es mit den kumulativen Fehlersignalen [n + 1][k – 1] von dem Speichermittel 144, um ein Signal bereitzustellen, welches vorzugsweise an einen herkömmlichen Integrator 148 mit einer Verstärkung k_I angelegt wird, um ein integriertes Signal (Int Cmd[n] [k]) zu erzeugen. Das integrierte Signal wird dann in dem Summierelement 150 zu der vorwärtskoppelnden Anweisungssignalkomponente (FFCmd[n][k]) addiert, um das Strömungsanweisungssignal (Cmd[n][k]) zu bilden, welches an das Strömungssteuerventil 152, das vorzugsweise ein elektromagnetisches Proportionalventil ist, angelegt wird.
Für einen typischen Satz von Sollwerten für die Strömungsrate des Patientenluftwegs, welche einen scharten Strömungsansatz, eine konstante Strömungsrate für die Zeitdauer der Einatmungsunterstützung sowie einen relativ scharfen Strömungsabfall bereitstellen, allgemein bekannt als Quadrat-Trajektorie, nähert sich das Strömungssteuerungs-/-regelungs-Korrektursystem der Erfindung, wie in den 4, 5 und 6 gezeigt ist, der Soll-Trajektorie schneller an als Steuer-/Regeleinrichtungen des Stands der Technik. Wenn man also annimmt, dass die programmierte Trajektorie der Strömungssteuerung/-regelung für den Patienten korrekt ist, so sollte dadurch die von dem Patienten zum Atmen benötigte Energie reduziert werden.
Es sollte selbstverständlich sein, dass das vorwärtskoppelnde Ventilverstärkungselement sowie der herkömmliche Integrator zwar ein effizienteres Steuer-/Regelsystem bereitstellen, jedoch wahlweise aus der Steuer-/Regeleinrichtung weggelassen werden können und dass die Korrekturkomponente selbst nachhaltige Fehler korrigieren kann, die periodisch in dem Beatmungssystem auftreten.
In der vorstehenden Beschreibung wurde somit demonstriert, dass das System und das Verfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung eine erhöhte Genauigkeit der Strömungsratenzufuhr zur Reduzierung der Atmungsanstrengung des Patienten ermöglichen, indem eine Fehlerkorrekturkomponente bestimmt wird, die eine adaptive Reaktion auf Echtzeitstörungen erlaubt, welche periodisch in dem Beatmungssystem auftreten können.
Obwohl eine bestimmte Form der Erfindung illustriert und beschrieben wurde, wird es offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Dementsprechend ist es nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf andere Art als durch die folgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

System zum Steuern/Regeln der Strömungsrate eines durch ein Beatmungssystem (10) zugeführten Beatmungsgases zum Unterstützen von Atemzügen eines an dem Beatmungssystem (10) intubierten Patienten, wobei das Beatmungssystem (10) umfasst: ein Quelle (12, 14) für Beatmungsgas, einen Strömungsweg (26) für das Beatmungsgas, welcher mit dem Patienten in Fluidverbindung steht, ein Strömungssteuerventil (152) zum Steuern/Regeln der Strömungsrate in dem Strömungsweg (26) sowie einen Strömungssensor (32) in dem Strömungsweg (26) zum Messen der Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg (26), wobei das Steuer/Regelsystem Regelmittel (134) zum Erzeugen eines Regelsignals umfasst, um das Strömungssteuerventil (152) wenigstens einmal in einem vorbestimmten Regelintervall (n) in einem Atemzug (k) zu betätigen, sodass für jedes der Regelintervalle (n, n + 1, ...) in dem Atemzug in dem Strömungsweg eine Soll-Strömungsrate bereitgestellt wird, wobei die Regelmittel (134) mit dem Strömungssensor (32) verbunden sind und umfassen: a) Mittel zum Erzeugen eines Eingangsströmungssteuer/regelsignals (36) auf Grundlage der Soll-Strömungsrate für jedes Regelintervall (n, n + 1, ...) in einem momentanen Atemzug (k), b) Mittel (32) zu Erzeugen eines Strömungsratensignals (43), welches die Ist-Strömungsrate in dem Strömungsweg (26) repräsentiert, c) Mittel (140) zum Vergleichen des Strömungsratensignals mit dem Eingangsströmungssteuer/regelsignal (36) und zum Erzeugen eines Momentanfehlersignals (error(n)(k)), welches die Differenz zwischen der Ist-Strömungsrate und der Soll- Strömungsrate für jedes Regelintervall (n, n + 1, ...) in dem Atemzug (k) repräsentiert, d) Mittel (142, 144) zum Summieren jedes Momentanfehlersignals für jedes Regelintervall in dem Atemzug mit einer Summe aller vorhergehenden Fehlersignale, welche in den zugehörigen Regelintervallen (n, n + 1, ...) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...) aufgetreten sind, um ein momentanes Korrektursignal (sum(n + 1)(k – 1)), welches die Summe aller vorhergehenden, im zugehörigen nächsten Intervall (n + 1) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...) aufgetretenen Fehlersignale ist, und ein künftiges Korrekturkomponentensignal (sum(n)(k)) für das zugehörige Regelintervall (n) in einem nächsten Atemzug (k + 1) zu erzeugen, e) Mittel (144) zum Speichern des vorliegenden und des künftigen Korrekturkomponentensignals als die Summe aller vorhergehenden Fehlersignale für jedes geeignete Regelintervall (n, n + 1, ...) der vorhergehenden Atemzüge (k – 1, k – 2, ...), f) Mittel (146, 148) zum Integrieren des Momentanfehlersignals und des vorliegenden Korrekturkomponentensignals, um ein integriertes vorliegendes Korrekturkomponentensignal (Int. Cmd(n)(k)) zu erzeugen, sowie g) Mittel (150) zum Summieren des Eingangsströmungssteuer/regelsignals (36) und des integrierten vorliegenden Korrekturkomponentensignals (Int. Cmd(n)(k)), um ein Strömungsanweisungssignal (Cmd(n)(k)) für das Strömungssteuerventil zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, welches ferner Mittel (138) umfasst, um das Eingangsströmungssteuer/regelsignal (36) so zu modifizieren, dass es eine vorbestimmte vorwärtskoppelnde Ventilverstärkungskomponente enthält, sodass für jedes Regelintervall (n) des Atemzugs (k) ein korrigiertes Eingangsströmungssteuer/regelsignal (FF Cmd(n)(k)) erzeugt wird, wobei die Mittel zum Summieren (150) das korrigierte Eingangsströmungssteuerlregelsignal (FF Cmd(n)(k)) mit dem integerierten vorliegenden Korrekturkomponentensignal (Int. Cmd.(n)(k)) summieren, um ein Strömungsanweisungssignal (Cmd(n)(k)) für das Strömungssteuerventil zu erzeugen.