DE69736077T2

DE69736077T2 - Vorrichtung zur patientenbeatmungsunterstüzung

Info

Publication number: DE69736077T2
Application number: DE69736077T
Authority: DE
Inventors: R. Alan Baltimore SCHWARTZ; L. Philip Baltimore SMITH
Original assignee: Johns Hopkins University; School of Medicine of Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University; School of Medicine of Johns Hopkins University
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: ATE328630T1; DE69736077D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende betrifft ein Beatmungsunterstützungssystem und insbesondere eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines gesteuerten Atemgasdurchflusses zu einem Patienten auf der Grundlage der Funktion der oberen Atemwege eines Patienten, die über die Zeit in Bezug auf die physiologischen Anforderungen des Patienten variiert.
HINTERGRUNDINFORMATION
Es gibt viele klinische Funktionsstörungen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß es den Patienten nicht gelingt, eine ordnungsgemäße Beatmung aufrechtzuerhalten. Allgemein kann Beatmung auf eine von zwei Arten beeinträchtigt werden. Erstens gibt es Patienten, die aufgrund von übermäßigen mechanischen Belastungen auf den Atmungsapparat oder Schwäche der Atmungsmuskeln nicht angemessen atmen können. Beispiele für genannte mechanische Belastungen schließen einen Verschluß des oberen Atemwegs bei obstruktiver Schlafapnoe, Bronchialverschluß bei Asthma- und chronischer obstruktiver Lungenerkrankung und Verringerungen der Lungen- oder Brustwandnachgiebigkeit bei Krankheiten ein, die das Lungenparenchym und die Brustwand betreffen. Zweitens kann die Beatmung durch einen Ausfall von neuromuskulären Mechanismen in Patienten beeinträchtigt sein, die Funktionsstörungen aufweisen, die das zentrale Nervensystem oder Zwerchfellnerven betreffen. Unabhängig von der Ätiologie ist jede dieser Funktionsstörungen mit verringerten Graden von Beatmung verbunden.
Bei Patienten mit verminderten Beatmungsgraden kann die Beatmung durch Blasen von Luft in den Atemweg gesteigert werden. In einem Ansatz kann Luft eingesetzt werden, um dabei zu helfen, CO₂ aus den Atemwegen herauszuwaschen. Wenn eine zusätzliche Quelle von Luft bei den zentralen Atemwegen eingesetzt wird, kann die Beatmung sinken, da weniger erforderlich ist, um CO₂ zu beseitigen. Gegenwärtig werden zwei derartige Verfahren klinisch verwendet, um beim CO₂-Auswaschen aus den Atemwegen zu helfen. Bei intubierten Patienten wird Luft entweder kontinuierlich oder während des Ausatmens durch einen als tracheale Gasinsufflation (Tracheal Gas Insufflation (TGI)) bekannten Prozeß verabreicht. Alternativ kann Luft durch eine dünne Transtrachealkanüle bei nicht intubierten, spontan atmenden Patienten verabreicht werden. Aktuelle Belege deuten an, daß geringe Durchflußraten von bis zu 5 bis 6 Liter/min CO₂ auswaschen und die Anforderungen eines Patienten an Beatmung verringern können. Damit Auswaschen von CO₂ stattfindet, muß insufflierte Luft zur Atmosphäre frei abgelassen werden. Mit kontinuierlicher transtrachealer Insufflation (Transtracheal Insufflation (TTI)) ermöglicht somit CO₂-Auswaschen, daß Patienten die Beatmung verringern, ohne CO₂ zu erhöhen.
In einem anderen Ansatz kann eine mechanische Beatmung zur Steigerung der Beatmung errichtet werden. Beatmung mit Überdruck ist die üblichste Form von mechanischer Beatmung. Sie ist durch intermittierende Anwendung von Überdruck auf den Atemweg gekennzeichnet. Wenn der Atemwegdruck erhöht wird, blasen sich die Lungen auf. Entleeren tritt passiv auf, nachdem ermöglicht wird, daß der Atemwegdruck sinkt. Somit kann Überdruck intermittierend bei dem Atemweg zur Steigerung der Beatmung bei Patienten eingesetzt werden, die keine normalen Beatmungsgrade alleine aufrechterhalten können. Es sind zahlreiche Einrichtungen entwickelt worden, um Beatmung mit Überdruckeinrichtungen zu steigern, Endotrachealtubus, Tracheotomietubus und nasale/oronasale Masken einschließend. In jedem Beispiel ist eine starke Abdichtung zwischen der Beatmungseinrichtung und dem Atemweg des Patienten erforderlich, wodurch eine Leckage von Luft verhindert wird, wenn Überdruck eingesetzt wird. Als Folge sind diese Grenzflächen relativ intrusiv und stören sie beim Sprechen, Schlucken, normalen Atemmustern und normalen Schlaf/Wach-Rhythmen.
Obstruktive Schlafapnoe stellt ein Beispiel für einen Zustand dar, in dem ein zyklischer Verschluß und erneutes Öffnen des Pharynx stattfindet, was zur Behinderung von Luftdurchfluß während des Schlafes, hypoxischen Episoden und Tagesschläfrigkeit führt. Es sind zwei allgemeine Lösungen verwendet worden, um diese Funktionsstörung zu behandeln. Erstens sind Verfahren zum Abbauen von pharyngealer Luftdurchflußbehinderung erfunden worden. Gegenwärtig ist nasaler kontinuierlicher positiver Atemwegdruck (nasal Continuous Positive Airway Pressure (nCPAP)) die effektivste Art zum Abbauen der Behinderung. Sie wird über eine Nasenmaske angewendet und erhält pharyngeale Durchgängigkeit während des Schlafes bei. CPAP ist am effektivsten, wenn eine starke Dichtung zwischen dem Atemweg des Patienten und der Nasenmaske aufrechterhalten wird. Die U.S.-Patente Nr. 5,551,419, 5,540,219, Re. 35,295, 5,535,738 und 5,490,502 offenbaren die Verwendung von derartigen CPAP-Vorrichtungen. Trotz deren geringen Auftretens von Nebeneffekten wird jedoch CPAP häufig nicht gut toleriert und viele Patienten befolgen nicht die Therapie, da die fest angebrachte Nasenmaske Klaustrophobien verursacht (Kribbs et al., Am. Rev. Respir. Dis., Band 147, 1993). Die vorliegende Erfindung erfordert jedoch keine starke Abdichtung. Statt daß wie bei nasalem CPAP die Behinderung des oberen Atemwegs abgebaut wird, funktioniert sie zusammen mit den Atembemühungen des Patienten und der natürlichen Neigung des oberen Atemwegs zum Zusammenfallen und Behindern des Austritts von Luftdurchfluß aus den Lungen.
Wenn ein Abbau von pharyngealer Behinderung mit nasalem CPAP nicht erzielbar ist, sorgt Tracheostomie für eine alternative Atemroute während des Schlafes, die den Pharynx umgeht. Sie ist bei der Behandlung dieser Funktionsstörung effektiv, da sie für eine in großem Maße patente Umführungsroute zum Atmen sorgt. Mit Tracheostomie kann Luft unabhängig vom Zustand der Durchgängigkeit des oberen Atemwegs frei aus der Atmosphäre eingeatmet und dorthin ausgeatmet werden. Obwohl Tracheostomie bei der Behandlung von Apnoepatienten höchst effektiv ist, ist sie mit wesentlicher Morbidität für wiederholte Luftweginfektionen, hartnäckigem Husten, Sprachschwierigkeiten und Verschandelungen verbunden. Aufgrund ihrer hohen Morbidität wird Tracheostomie von entweder Patienten oder Ärzten selten als eine akzeptable therapeutische Alternative angesehen, außer wenn Schlafapnoe lebensbedrohend ist. Die vorliegende Erfindung vermeidet diese ungünstigen Effekte, aber liefert eine Einrichtung für sowohl Einatmung als auch Ausatmung, die den oberen Atemweg zur Koordinierung des Luftdurchflußmusters verwendet.
Ein weiteres vorgeschlagenes Verfahren besteht in der Langzeitzusatzsauerstofftherapie über eine dünne Transtrachealkanüle, durch die eine geringe Durchflußrate von Sauerstoff intratracheal an Patienten mit Lungenerkrankung abgegeben wird. Die U.S.-Patente 5,181,509 und 5,090,408 offenbaren Beispiele für derartige Kanülen. Klinische Berichte und Erfahrung mit dieser Art von Kanüle haben gezeigt, daß sie ein effektives, gut toleriertes Sauerstoffabgabeverfahren ist. Die geringe Durchflußrate von Sauerstoff reicht jedoch nicht aus, um für eine zufriedenstellende Beatmungsunterstützung für Patienten zu sorgen.
Die U.S.-Patente Nr. 5,101,820 und 5,279,288 von Christopher offenbaren die Verwendung eines Transtrachealkatheters zum Liefern einer kontinuierlichen hohen Durchflußrate von Sauerstoff enthaltendem Gas an einen Patienten. Es gibt jedoch mit der kontinuierlichen Abgabe von Gas an Patienten verbundene Nachteile, wie zum Beispiel Spasmus der Stimmbänder und Verschluß des oberen Atemwegs. Dies kann zu einem schnellen Aufbau von übermäßigem Druck in der Luftröhre und den Lungen des Patienten (Pneumothorax und Pneumomediastinum) und Änderungen des Atemmusters führen, die Probleme mit Schlafunterbrechung und Tageshypersomnolenz aufrechterhalten.
Das U.S.-Patent 3794026 offenbart eine Beatmungsvorrichtung für einen Patienten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die einen Katheter zum Einführen in die Luftröhre eines Patienten und Mittel zum Zuführen von Atemgas unter Druck zum Katheter enthält, wobei der Katheter mit einem Ballon ausgestattet ist, der durch Atemgas aufgeblasen wird, das durch den Katheter zugeführt wird, um eine effektive Abdichtung des Katheters in der Luftröhre des Patienten sicherzustellen. Der Katheter enthält einen Drucksensor, der den Gasdruck in der Luftröhre des Patienten unter dem Ballon mißt. Die Zufuhr von Gas zum Katheter wird in einer Betriebsart der Vorrichtung als Reaktion auf den gemessenen Druck so gestaltet, daß die Vorrichtung die Lungen eines Patienten abwechselnd aufbläst und entleert.
Die in Anspruch 1 definierte vorliegende Erfindung ist angesichts des vorangehenden und zur Überwindung weiterer Mängel des Standes der Technik gemacht worden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt eine Vorrichtung, umfassend einen Katheter zum Einführen in die Luftröhre eines Patienten, wobei der Katheter ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, ein Mittel, das mit genanntem distalen Ende zur Zuführung von Atemgas zu dem Patienten durch den Katheter verbunden ist, einen Drucksensor zum Messen des Drucks in der Luftröhre des Patienten, wobei genanntes Mittel zur Zuführung zur Steuerung der Atemgaszuführung zu dem Katheter als Antwort auf den durch genannten Drucksensor gemessenen Druck gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Verwendung bei der Behandlung von Schlafapnoe geeignet ist, daß der Katheter eine derartige Größe und Gestalt aufweist, daß er in die Luftröhre eines menschlichen Patienten ohne Behinderung der Atemwege des Patienten, während Atemgas durch den Katheter genanntem Patienten zugeführt wird, einführbar ist, genanntes Mittel zur Zuführung zur Zuführung von Atemgas mit einer ersten Rate V ._IN durch den Katheter zu genanntem Patienten, während der Gasdruck in der Luftröhre des Patienten, durch genannten Drucksensor gemessen, unter einem vorab festgelegten Druckwert P_LIM ist, und zum Reduzieren oder Beenden der Atemgaszuführung zu genanntem Patienten über genannten Katheter, wenn der durch genannten Drucksensor gemessene Gasdruck genannten vorab festgelegten Druckwert P_LIM erreicht oder überschreitet, gestaltet ist, wobei die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung genannter Beendigung oder Reduzierung der Atemgaszuführung entweder für eine voreingestellte Dauer oder, bis der durch genannten Sensor gemessene Druck auf einen zweiten vorab festgelegten Druck P_TARGET unter genannten ersten vorab festgelegten Druck P_LIM abfällt, und danach zum Fortsetzen der Zuführung von genanntem Atemgas mit genannter erster Rate V_IN gestaltet ist.
Das System stellt somit eine Rückkopplungsschleife bereit, die Trachealdruck, der die Beatmung eines Patienten und den Status der oberen Atemwege reflektiert, verwendet, um den Atemgasdurchfluß zu steuern.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die oberen Atemwege des Patienten einen integralen Teil des Atemkreislaufes bilden. Die oberen Atemwege dienen als ein Ventil, das steuert, ob das angewandte Trachealatemgas die Lungen aufbläst oder zur Atmosphäre abzieht. Wir haben erkannt, daß die oberen Atemwege fortschreitend den Durchfluß behindern, wenn der Trachealdruck auf oder unter einen kritischen Druck (P_CRIT) fällt. Wenn der obere Atemweg fortschreitend verstopft, wird mehr und mehr des anliegenden Durchflusses in Richtung auf die Lungen gelenkt und bläst diese auf. Unter diesen Umständen wird ein größerer Anteil des Atemgases, das von der Vorrichtung zugeführt wird, verwendet, um den Beatmungsbedarf des Patienten zu erfüllen. Andererseits erleichtert jede Zunahme des Trachealdruckes über diesen kritischen Druck Ausatmen von Atemgas und CO₂-Auswaschen aus dem anatomischen Totraum. Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß sie den Trachealdruck in einem Bereich halten kann, der die Abgabe von eingeatmetem Gas an die Lungen optimiert und Ablassen von ausgeatmetem Gas durch die oberen Atemwege erleichtert.
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei der Behandlung von vielen verschiedenen Arten von klinischen Funktionsstörungen nützlich. Zum Beispiel kann das System verwendet werden, um Patienten mit oberem Atemwegverschluß, wie zum Beispiel Patienten, die an obstruktiver Schlafapnoe leiden, zu behandeln. Das vorliegende System kann verwendet werden, um genannte Patienten zu behandeln, indem der Trachealgasdruck über einem kritischen Wert gehalten wird, um für ausreichende Luft zum Einatmen zu sorgen, dennoch eine freie Abgabe von Luft durch die oberen Atemwege während des Ausatmens zuzulassen. Es können ähnliche Mechanismen verwendet werden, um sowohl die Beatmung als auch das CO₂-Auswaschen in Patienten mit anderen Atemfunktionsstörungen, selbst wenn ein oberer Atemwegverschluß fehlt, zu steigern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Behandlung mit dem System gemäß der vorliegenden Erfindung mit abwechselndem Öffnen und mit teilweisem oder vollständigem Verschließen des oberen Atemwegs des Patienten verbunden. In Abhängigkeit von dem Wert des Trachealdrucks des Patienten kann der obere Atemweg zur Atmosphäre entweder offen oder geschlossen sein. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung steuert den Atemgasdurchfluß von Atemgas, das es den Lungen zuführt, zusammen mit den Atembemühungen des Patienten und als eine Funktion des Trachealdrucks des Patienten. Wenn der Trachealdruck abnimmt, schließt der obere Atemweg fortschreitend, wodurch der Durchfluß von Atemgas in Richtung auf die Lungen gelenkt wird. Wenn im Gegensatz der Trachealdruck während des Ausatmens zunimmt, öffnet der obere Atemweg fortschreitend und wird ausgeatmetes Gas abgelassen. Die vorliegende Erfindung tritt mit dem Patienten in der Weise in Wechselwirkung, daß die Abgabe von Durchfluß zur Luftröhre mit sowohl dem Atembedarf des Patienten als auch dem Zustand der Durchgängigkeit des oberen Atemweges koordiniert wird.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann für eine interaktive Beatmungsunterstützung für einen Patienten auf der Grundlage der Beatmungsanforderungen des Patienten und der Eigenschaften der oberen Atemwege sorgen. Es wird ein gesteuerter Atemgasdurchfluß an den Patienten auf der Grundlage des Gasdrucks in der Luftröhre des Patienten abgegeben.
Bei Verwendung der Vorrichtung wird der Katheter vorzugsweise transtracheal eingeführt. Ein Wert für die Atemgasdurchflußrate wird vorzugsweise für den Patienten in Abhängigkeit von den Eigenschaften des oberen Atemweges und dem Grad von Beatmungsunterstützung, der von dem Patienten verlangt wird, festgelegt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung ersichtlicher werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung, die die Behandlung eines Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe mit einer Vorrichtung zur Beatmungsunterstützung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung, die die Richtung eines Insufflationsluftstroms zeigt, wenn der obere Atemweg geschlossen ist.
3 ist eine schematische Darstellung, die die Richtung eines Insufflationsluftstroms zeigt, wenn der obere Atemweg patent ist.
4 ist eine Graphik, die die Gasdurchflußrate aus den oberen Atemwegen eines Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe über dem Gasdruck in der Luftröhre des Patienten darstellt.
5 ist eine schematische Darstellung, die die Richtung eines Insufflationsluftstroms während einer Einatmungsphase in einem Apnoepatienten mit einem positiven kritischen Druck (P_CRIT) während des Schlafens zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die die Richtung eines Insufflationsluftstroms während einer Ausatmungsphase in einem Apnoepatienten mit einem positiven kritischen Druck (P_CRIT) während des Schlafens zeigt.
7 ist ein Schemadiagramm, das einen Algorithmus zur Steuerung des Durchflusses von Atemgas zu einem Patienten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Schemadiagramm, das den Algorithmus zur Steuerung des Durchflusses von Atemgas zu einem Patienten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
10 ist eine schematische Darstellung eines Gasabgabe- und Trachealdruckmeßsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt den Druck über Luftdurchfluß für Durchfluß durch eine 20 cm lange Transtrachealkanüle (1,5 mmID) und durch sowohl die Kanüle als auch einen 14 Fuß langen Verlängerungsschlauch (4 mmID).
12 zeigt den Luftdurchfluß über Druck der Kombination aus einem Katheter und einem sechs Fuß langen Verlängerungsschlauch (4 mmID).
13 zeigt den Druck über Luftdurchfluß für Durchfluß durch eine 11 cm lange Transtrachelkanüle (4 mmID).
14 zeigt eine Kurve des Trachealdrucks (P_TRACH), des Luftdurchflusses durch die Nase und den Mund (V ._OUT) und von Oxyhämoglobin (SaO₂) im Zeitablauf für einen typischen Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe während Nicht-REM-Schlafes.
15 zeigt eine Kurve des Luftdurchflusses durch die Nase und den Mund (V ._OUT) und des Trachealdrucks (P_TRACH) im Zeitablauf, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen Insufflationsdurchfluß (V ._IN ) von 7 L/min während des Schlafes erhält.
16 zeigt eine Kurve des Luftdurchflusses durch die Nase und den Mund (V ._OUT) und des Trachealdrucks (P_TRACH) im Zeitablauf während stabilen Schlafes, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen Insufflationsdurchfluß (V ._IN ) von 15 L/min erhält und der Trachealdruckgrenzwert (P_LIM) auf 30 cmH₂O festgesetzt ist.
17 zeigt eine Graphik von V ._OUT über P_TRACH für einen Patienten, der einen Insufflationsdurchfluß (V ._IN) von 15 L/min bei einem P_LIM von 30 cmH₂O, wie in 16 dargestellt, erhält.
18 zeigt eine Kurve des Luftdurchflusses durch die Nase und den Mund (V ._OUT) und des Trachealdrucks (P_TRACH) im Zeitablauf, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen Insufflationsdurchfluß (V ._IN) von 15 L/min erhält und der Trachealdruckgrenzwert (P_LIM) auf 35 cmH₂O während Übergangsschlaf eingestellt ist, was das Auftreten von Glottis-Apnoen demonstriert.
19 zeigt eine Kurve des Luftdurchflusses durch die Nase und den Mund (V ._OUT) und des Trachealdrucks (P_TRACH) im Zeitablauf, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen Insufflationsdurchfluß (V_IN) von 27 L/min erhält und der Trachealdruckgrenzwert (P_LIM) auf 30 cmH₂O während des Schlafens eingestellt ist.
20 zeigt eine Kurve des Luftdurchflusses durch die Nase und den Mund (V ._OUT ) und des Trachealdrucks (P_TRACH) im Zeitablauf, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen Insufflationsdurchfluß (V ._IN) von 47 L/min erhält und der Trachealdruckgrenzwert (P_LIM) auf 30 cmH₂O während Schlafes eingestellt ist.
21 zeigt eine Graphik von P_TRACH, V ._OUT, SaO₂ und V ._IN über Zeit, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen V ._IN von 15 L/min und einen P_LIM von 20 cmH₂O während des Schlafes erhält.
22 zeigt eine Graphik von V ._OUT über P_TRACH für einen Patienten, der V ._IN von 15 L/min und P_LIM von 20 cmH₂O, wie in 21 dargestellt, erhält.
23 zeigt eine Graphik von P_TRACH, V ._OUT, SaO₂ und V ._IN über Zeit, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen V ._IN von 45 L/min und einen P_LIM von 20 cmH₂O während des Schlafes erhält.
24 zeigt eine Graphik von V ._OUT über P_TRACH für einen V ._IN von 45 L/min und P_LIM von 20 cmH₂O, wie in 23 dargestellt.
25 zeigt eine Graphik von P_TRACH, V ._OUT, SaO₂ und V ._IN über Zeit, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen V ._IN von 45 L/min und einen P_LIM von 10 cm/H₂O während des Schlafes erhält.
26 zeigt eine Graphik von V ._OUT über P_TRACH für einen V ._IN von 45 L/min und einen P_LIM von 10 cmH₂O, wie in 25 dargestellt.
27 zeigt eine Graphik von P_TRACH, V ._OUT, SaO₂ und V ._IN über Zeit, wenn ein beispielhafter Patient mit obstruktiver Schlafapnoe einen V ._IN von 15 L/min und einem P_LIM von 10 cmH₂O während des Schlafes erhält.
28 eine Graphik von V ._OUT über P_TRACH für einen V ._IN von 15 L/min und einen P_LIM von 10 cmH₂O, wie in 27 dargestellt.
29 ist ein Schemadiagramm, das die Festlegung von V ._IN- und P_LIM-Werten unter Verwendung eines Titrationsprotokolls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe darstellt.
30 zeigt V ._OUT, P_TRACH und Druck in der Speiseröhre (Ösophagus) außerhalb der Lungen (P_ES) über Zeit für einen Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe, der periodische Insufflation erhält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während des Schlafes.
31 zeigt V ._OUT, P_TRACH und P_ES, den Abfall in demselben Patienten, der in 30 wiedergegeben ist, darstellend, wenn der Insufflationsdurchfluß (V ._IN) für 5–10 Sekunden abrupt gestoppt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt für Atemgas für einen Patienten auf der Grundlage der besonderen Bedürfnisse des Patienten und der Eigenschaften des Atemwegs des Patienten. In der hierin verwendeten Form bedeutet der Begriff "Patient" Mitglieder des Tierreiches, einschließlich Säugetiere, wie zum Beispiel Menschen. Der Begriff "Atemgas" in der hierin verwendeten Form bedeutet ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie zum Beispiel Luft, mit zusätzlichem Sauerstoff und/oder Medikamenten ergänzte Luft, im wesentlichen reiner Sauerstoff und dergleichen. Das Atemgas kann optional angefeuchtet und/oder auf näherungsweise dieselbe Temperatur wie die Körpertemperatur des behandelten Patienten erwärmt werden. Außerdem kann das Atemgas optional andere Komponenten, wie zum Beispiel Narkosemittel, pharmokologische Mittel, die entsprechend kontinuierlichen oder intermittierenden Dosierschemata verabreicht werden, und Komponenten zur Steigerung von Sprach/Stimmlautstärke enthalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Grenzwert (P_LIM) für den Trachealgasdruck für den zu behandelnden Patienten festgelegt. In der bevorzugten Ausführungsform wird auch ein Wert (V ._IN) für die Atemgasdurchflußrate für den Patienten festgelegt. Wenn Gasdruck in der Luftröhre (P_TRACH) des Patienten unter P_LIM ist, wird Atemgas an die Luftröhre des Patienten bei dem festgelegten Atemgasdurchflußratenwert V ._IN abgegeben. Wenn jedoch der Trachealdruck (P_TRACH) des Patienten P_LIM überschreitet, wird der Atemgasdurchfluß reduziert oder beendet. Der Atemgasdurchfluß wird dann bei dem Durchflußratenwert V ._IN. der sofort wieder aufgenommen werden kann, nach einer Verzögerungsdauer oder, nachdem der Trachealdruck auf einen vorab festgelegten Wert fällt, wieder fortgesetzt. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Atemgasdurchfluß dem Patienten transtracheal zugeführt und dies wird hierin als transtracheale Insufflation (Transtracheal Insufflation (TTI)) bezeichnet.
1 stellt schematisch ein Beatmungsunterstützungssystem, das mit einem Patienten 1 verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Luftröhre 2 des Patienten 1 wird mittels eines Katheters 3 mit einem Atemgaszufluß versehen. Der Katheter 3 enthält ein distales Ende 4, das durch einen Einschnitt 5 in der Kehle des Patienten 1 in die Luftröhre 2 eingeführt ist. Eine Steuereinrichtung 7 ist mit dem Katheter 3 zur Steuerung der Zufuhr von Atemgas von einer Atemgasquelle 8 verbunden. Ein Drucksensor 9 mißt Gasdruck in der Luftröhre 2 und liefert Signale, die dem gemessenen Trachealgasdruck entsprechen, an die Steuereinrichtung 7. Der Drucksensor 9 ist in der Nähe des distalen Endes 4 des Katheters 3 angeordnet oder alternativ in der Steuereinrichtung 7 enthalten und mit der Luftröhre 2 durch eine Kanüle verbunden. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, empfängt die Steuereinrichtung 7 Signale vom Trachealdrucksensor 9 und steuert den Durchfluß von Atemgas von der Atemgasquelle 8 durch den Katheter 3 in die Luftröhre 2. Während ein Transtrachealkatheter 3 in 1 gezeigt und hierin hauptsächlich beschrieben wird, versteht es sich, daß andere Arten von Kathetern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, wie zum Beispiel Katheter, die über den oberen Atemweg des Patienten in die Luftröhre eingeführt sind. Der Begriff "Luftröhre" wird hierin allgemein so verwendet, daß er jeden Abschnitt des Atemweges eines Patienten von der Karina zur Nasen- oder Mundöffnung, vorzugsweise von der Karina zum Rachenluftweg, am bevorzugsten unter den Stimmbändern einschließt.
In Abhängigkeit vom Druck P_TRACH, der vom Trachealdrucksensor 9 gemessen wird, wird das Atemgas entweder: (1) durch den Katheter 3 mit dem festgelegten Atemgasdurchflußratenwert V ._IN abgegeben, wenn der Trachealdruck P_TRACH unter dem Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM liegt; oder (2) beendet oder mit einer reduzierten Durchflußrate unterhalb von V ._IN abgegeben, wenn der Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM erreicht ist. Wenn V ._IN reduziert wird und P_TRACH weiterhin ansteigt, wird V ._IN vorzugsweise abgeschaltet, wenn der Druck auf einen maximalen Grenzwert (P_MAX) ansteigt. Der Atemgasdurchflußratenwert V ._IN wird typischerweise auf einen im wesentlichen konstanten Wert für viele Patienten festgelegt, gewöhnlich von ungefähr 4 bis ungefähr 60 Liter/Minute, vorzugsweise von ungefähr 8 bis ungefähr 50 Liter/Minute, in Abhängigkeit von den besonderen physiologischen Anforderungen des Patienten. Wenn der gemessene Gasdruck in der Luftröhre P_TRACH den Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM erreicht, wird der Zufluß von Atemgas unter den Atemgasdurchflußratenwert
, vorzugsweise auf einen Wert von 0 bis ungefähr 20 Prozent des Atemgasdurchflußratenwertes V ._IN reduziert. Für viele Patienten kann bevorzugt werden, den Durchfluß von Atemgas vollständig zu beenden, wenn der gemessene Trachealgasdruck P_TRACH den Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM erreicht.
Wie unten umfassender beschrieben, wird der Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM eines bestimmten Patienten vorzugsweise oberhalb eines kritischen Trachealgasdruckgrenzwertes (P_CRIT) des Patienten festgelegt. In der hierin verwendeten Form bedeutet der Begriff „kritischer Trachealgasdruckwert" der Trachealdruckwert, unterhalb dessen der Luftweg des Patienten verschlossen oder versperrt wird. Die folgenden Werte von P_CRIT stellen typische Bereiche während des Schlafes dar. Zum Beispiel bei Patienten, die an obstruktiver Schlafapnoe leiden, kann der kritische Trachealgasdruckwert P_CRIT typischerweise im Bereich von ungefähr 0 cmH₂O bis ungefähr 15 cmH₂O oberhalb des Atmosphärendruckes liegen. Patienten mit einer Variante, die als obstruktive Hypopnoen oder Upper airway resistance-Syndrom bekannt ist, weisen einen P_CRIT von ungefähr –5 cmH₂O bis ungefähr 0 cmH₂O relativ zum Atmosphärendruck auf. Patienten, die während des Schlafes schnarchen, aber nur geringe Apnoe oder Hypopnoe aufweisen, können einen typischen kritischen Trachealgasdruckwert von ungefähr –10 bis ungefähr –5 cmH₂O relativ zum Atmosphärendruck aufweisen, während Patienten, die normale Atemabläufe durchführen, einen typischen kritischen Trachealgasdruckwert von ungefähr –20 bis ungefähr –10 cmH₂O relativ zum Atmosphärendruck aufweisen. Im Gegensatz dazu ist P_CRIT für die meisten Patienten gewöhnlich unterhalb von –30 cmH₂O relativ zum Atmosphärendruck während Schlaflosigkeit. Jedoch bei Patienten, die an Kehlkopffehlfunktion leiden, kann P_CRIT im Bereich von ungefähr –5 cmH₂O bis ungefähr 5 cmH₂O relativ zum Atmosphärendruck liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM oberhalb des kritischen Trachealgasdruckwertes P_CRIT des Patienten, typischerweise von ungefähr 1 bis ungefähr 30 cmH₂O oberhalb des kritischen Trachealgasdruckwerts P_CRIT, vorzugsweise von ungefähr 5 bis ungefähr 20 cmH₂O oberhalb P_CRIT festgelegt.
Als ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal kann ein maximaler Trachealgasdruckwert (P_MAX) für den Patienten festgelegt werden. Wenn der Trachealgasdruck den maximalen Wert P_MAX erreicht, wird der Durchfluß von Atemgas automatisch beendet, um die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Patienten zu reduzieren. Eine geeignete Sensoreinrichtung oder Steuereinrichtung kann verwendet werden, um den Durchfluß von Atemgas schnell zu beenden, wenn der maximale Trachealgasdruckwert erreicht ist.
Unter normalen Umständen wird die Durchgängigkeit des oberen Atemwegs durch den kritischen Druck P_CRIT ermittelt. Der P_CRIT ist mit Atemwegverschluß, wenn er positiv relativ zum atmosphärischen intraluminalen Druck ist, oder patenten oberen Atemwegen verbunden, wenn P_CRIT negativ ist. Somit sind Änderungen der Durchgängigkeit des oberen Atemwegs mit entsprechenden Änderungen von P_CRIT verbunden.
Wenn Luft über Transtrachealinsufflationskatheter an die Luftröhre angelegt wird, kann sie entweder durch die oberen Atemwege abziehen oder die Lungen füllen. Die Verteilung von Luftdurchfluß zwischen den oberen Atemwegen und den Lungen wird somit von den biomechanischen Eigenschaften von sowohl den oberen Atemwegen als auch dem Atmungssystem abhängen. Wie in 3 gezeigt, wird nahezu die gesamte Luft abziehen, wenn die oberen Atemwege in großem Maße patent sind. Unter diesen Umständen wird CO₂-Auswaschen verstärkt, aber wird das patienteneigene Beatmungsniveau nicht gesteigert werden. Wie in 2 gezeigt, wird im Gegensatz dazu ein stark verengter oder geschlossener oberer Atemweg nahezu den gesamten Insufflationsluftstrom in die Lungen lenken. Die Zunahme des Aufblasens der Lunge, die sich ergibt, kann Beatmung steigern, obwohl CO₂-Auswaschen nicht verstärkt wird. Somit wird die transtracheale Insufflation in Abhängigkeit von der Durchgängigkeit der oberen Atemwege entweder CO₂-Auswaschen steigern oder die Lungen aufblasen.
4 zeigt eine Grafik der Gasdurchflußrate, die aus den oberen Atemwegen eines Patienten abzieht (V ._OUT) über Gasdruck in der Luftröhre (P_TRACH) des Patienten. Wenn P_CRIT positiv ist, wird der Atemweg verschlossen bleiben, bis der Trachealdruck P_CRIT überschreitet. Wenn der Trachealdruck geringer als P_CRIT ist, wird die transtracheale Insufflation zu einem stetigen Anstieg des Intratrachealdrucks P_TRACH führen, da Luft nicht durch die oberen Atemwege abziehen kann (V ._OUT = 0). Dies wird durch den flachen Teil der in 4 gezeigten Grafik dargestellt. Dieser Anstieg von P_TRACH wird durch die Nachgiebigkeit des Atmungssystems (Lungen und Brustwand, C_RS) und durch das verabreichte Volumen bestimmt: PTRACH = (V .IN·Δt)CRS wobei V ._IN·Δt das Produkt des Insufflationsdurchflusses V ._IN über eine bestimmte Zeit repräsentiert. Wenn der Trachealdruck P_TRACH P_CRIT überschreitet, in der Grafik von 4 durch den Wendepunkt gezeigt, wird Luft beginnen, durch die oberen Atemwege abzuziehen. In diesem Stadium ist die Beziehung zwischen V ._OUT und P_TRACH definiert als: V .OUT = PTRACH – (PCRIT).wobei R_S der Widerstand des trachealen Atemwegsegments zwischen dem Insufflationsort in der Luftröhre und dem Ort des Zusammenfallens des oberen Atemweges ist.
Der Trachealdruck wird sich dann auf einen Wert einpendeln, der durch die Insufflationsdurchflußrate
bestimmt ist: PTRACH = (V .IN·RS) + PCRIT.
Diese Gleichung beschreibt die in 4 gezeigte Gleichgewichtsposition, wenn V ._IN V ._OUT gleichkommt und sich die Lungen weder aufblasen noch entleeren. Für einen bestimmten Wert von V ._IN führt somit transtracheale Insufflation zu fortschreitendem Lungenaufblasen ohne CO₂-Auswaschen, wenn P_TRACH geringer als P_CRIT ist. Wenn P_TRACH über P_CRIT ansteigt, wird jedoch ein neuer stetiger Zustand von Lungenaufblasen mit CO₂-Auswaschen erzeugt. Wenn ein konstanter Wert von transtrachealer Insufflation angewendet wird, wird somit das Ruhelungenvolumen um einen Betrag zunehmen, der durch V ._IN und durch die Eigenschaften der oberen Atemwege (P_CRIT und P_ES) bestimmt werden wird.
Wenn P_CRIT negativ ist, ist die Reaktion auf transtracheale Insufflation analog zum Zustand, wenn P_TRACH P_CRIT übersteigt. Mit einem negativen P_CRIT bleiben die oberen Atemwege patent, wobei sie Luft ermöglichen, aus den oberen Atemwegen kontinuierlich abzuziehen, wie in 3 dargestellt. Unter diesen Umständen wird P_TRACH, wie durch den Wert von V ._IN und durch den Widerstand des gesamten oberen Luftwegs, R_UA, bestimmt, wie folgt steigen: PTRACH = V .IN·RUA
Für einen bestimmten Wert V ._IN wird P_TRACH über Atmosphäre ansteigen, bis ein neuer stationärer Zustand von Lungenaufblasen durch den Ausflußwiderstand der oberen Atemwege erzeugt ist, und wird CO₂-Auswaschen auftreten.
Der Einfluß einer konstanten Rate von transtrachealer Insufflation bei Fehlen von jeglichen spontanen Atembemühungen ist oben betrachtet worden. Das Vorangehende zeigt, daß der Trachealdruck fortschreitend steigen wird und sich auf einen definierten Wert einpendeln wird, der entweder P_CRIT des oberen Atemwegs oder den atmosphärischen Druck (im Falle eines negativen P_CRIT) überschreitet. Wenn der Trachealdruck steigt, werden sich die Lungen aufblasen, bis ein neuer stationärer Zustand von Lungenaufblasen und P_TRACH erzielt ist. Bei diesem Wert von P_TRACH wird Durchfluß aus den oberen Atemwegen, V_OUT, mit genau derselben Rate entweichen, mit der er angewendet wird V ._IN. Dieser Leckdurchfluß wird CO₂- Auswaschen aus dem Totraum steigern, aber wird keine Beatmung steigern oder Massendurchfluß von Gas in die Lungen oder aus denselben erzeugen. Zur Steigerung der Beatmung ist Luftmassendurchfluß in die Lungen und aus diesen heraus erforderlich.
Spontane Atembemühungen können genannten Massendurchfluß erzeugen, indem sie Druckgradienten entlang des Tracheobronchialbaums erzeugen, die Luft in die Lungen und aus diesen heraus treiben. Während der Einatmungsphase sinkt P_TRACH, was zu einem Einströmen von Atemgas von der V ._IN-Quelle in die Lungen führt, wie in 5 gezeigt. Im Gegensatz zum stationären Zustand, in dem V ._IN und V ._OUT gleich sind, nimmt V ._OUT nun um den Betrag von V ._IN ab, der zu den Lungen umgeleitet wird. Wenn P_TRACH während des Einatmens sinkt, verschließen die oberen Atemwege fortschreitend, was ermöglicht, daß ein geringer Durchfluß zur Atmosphäre entweicht. Wenn die Anforderung an den Einatmungsdurchfluß des Patienten geringer als V ._IN ist, setzt etwas insuffliertes Gas fort, zu entweichen (V ._OUT > 0) und bleibt der obere Atemweg teilweise offen. Wenn der Bedarf an Einatmungsdurchfluß des Patienten größer als V ._IN ist, wird jedoch P_TRACH unter P_CRIT fallen und wird der obere Atemweg schließen. Danach wird der gesamte V ._IN zu den Lungen umgelenkt werden. Somit erzeugen Einatmungsabnahmen von P_TRACH während spontanen Atmens Änderungen der Durchgängigkeit des oberen Atemwegs, die den Betrag von V ._IN steuern, der die Lungen aufbläst oder aus den oberen Atemwegen entweicht (5).
Das Vorangehende zeigt auch, daß V ._IN die einzige Quelle von eingeatmetem Durchfluß ist, wenn P_CRIT des oberen Atemwegs positiv ist. Somit muß ausreichend V ._IN für den spontan atmenden Patienten vorgesehen werden, um seinen oder ihren Durchflußbedarf zu erfüllen, insbesondere wenn P_CRIT des oberen Atemwegs positiv ist (wie dies bei Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe der Fall ist). Unter diesen Umständen muß V ._IN im Bereich von ungefähr 300–600 ml/s (18–36 Liter/min.) gewöhnlich Spitzeneinatmungsdurchflußbedürfnissen während des Schlafs entsprechen. Alternativ ist ein V ._IN von ungefähr 150–300 ml/s (9–18 Liter/min.) gewöhnlich alles, was erforderlich ist, um mittlere Einatmungsdurchflußanforderungen während des Schlafes zu erfüllen. Wenn Spitzendurchflußbedürfnissen nicht entsprochen wird, wird jedoch der Trachealdruck während es Einatmens wesentlich sinken. Somit kann der Betrag des Sinkens des Trachealdrucks während des Einatmens verwendet werden, um zu messen, wie die Erfüllung der Anforderungen des Patienten an den Einatmungsdurchfluß durch den Wert von V ._IN erfüllt ist.
Während des Ausatmens steigt der Trachealdruck an. Wenn er über P_CRIT steigt, wird austretender Durchfluß durch die oberen Atemwege erzeugt, wie dies in der Grafik in 4 gezeigt und in 6 dargestellt ist. Unter diesen Umständen wird insuffliertes Gas, V ._IN, dem Ausatmungsgasstrom hinzugefügt, wodurch das Auswaschen von CO₂ aus den zentralen Atemwegen erhöht wird. TTI-Verabreichung während des Ausatmens hilft somit beim Erhöhen von CO₂-Auswaschen aus dem Atmungssystem.
Anhand des Vorangehenden wird es ersichtlich sein, daß TTI zusammen mit dem oberen Atemweg des Patienten fungiert, um Atemmuster über den gesamten Atmungszyklus zu regeln. Der obere Atemweg des Patienten weist die Funktion auf, entweder die Abgabe von Atemgas (V ._IN) an die Lungen während des Einatmens zu maximieren, wenn der Trachealdruck sinkt, oder Ausatmungsgas aus den Lungen und der TTI-Quelle während des Ausatmens abzulassen, wenn der Trachealdruck steigt. Genannte Unterschiede in der Funktion des oberen Atemwegs zwischen Einatmung und Ausatmung werden durch Schwankungen des Trachealdrucks erzeugt, die wiederum durch das Gleichgewicht zwischen den Atembemühungen des Patienten und dem V ._IN-Wert bestimmt werden. Ein merkliches Sinken des Trachealdrucks während des Einatmens zeigt an, daß größere Werte von V ._IN angewendet werden sollten, um die Beatmungsbedürfnisse des Patienten zu erfüllen. Im Gegensatz dazu wird ein merklicher Anstieg des Trachealdrucks während des Ausatmens mit größeren Werten von CO₂-Auswaschen durch die oberen Atemwege verbunden sein, das durch entweder Stoppen von V ._IN oder durch Reduzieren des V ._IN-Wertes verkürzt werden könnte. Somit werden TTI-Gasabgabe an die Lungen und CO₂-Auswaschen aus den Lungen maximiert, wenn Einatmungs- und Ausatmungstrachealdruckschwankungen jeweils groß sind.
In der vorliegenden Erfindung wird das Trachealdrucksignal verwendet, um für separate Einstellung des Werts von TTI-Gasabgabe an die Lungen während des Einatmens und CO₂-Auswaschen aus dem Atmungsssystem während des Ausatmens zu sorgen. Eine derartige Einstellung wird mit zwei Einstellungen gemäß der Erfindung durchgeführt. Erstens wird der V ._IN-Wert so eingestellt, daß ein gewünschter Einatmungsdurchfluß bereitgestellt wird. Zweitens wird ein Trachealdruckwert bestimmt, oberhalb dessen V ._IN entweder verkürzt oder abgeschaltet wird. Dieser Trachealdruckgrenzwert P_LIM, wird vorzugsweise oberhalb des P_CRIT des oberen Atemwegs eingestellt, so daß Luft frei aus den oberen Atemwegen entweichen kann, jedes Mal wenn der Trachealdruck über P_CRIT ansteigt. Nichtsdestotrotz wird P_LIM CO₂-Auswaschen begrenzen, jedes Mal wenn der Wert von V ._IN ausreichend hoch ist, daß P_TRACH auf P_LIM während des Ausatmens ansteigt. Somit können V ._IN und P_LIM einzeln eingestellt werden, um den Bedürfnissen des Patienten jeweils an Einatmungsdurchfluß und CO₂-Auswaschen zu entsprechen.
Das Muster der TTI-Verabreichung wird auch in Abhängigkeit vom eingestellten besonderen Wert von V ._IN und P_LIM variieren. In Abhängigkeit davon, wo P_LIM relativ zum Trachealdruck bei V ._IN eingestellt ist, (siehe Punkt in Grafik bei V ._IN-Wert, 4) wird Insufflation kontinuierlich (wenn P_LIM wesentlich größer als P_TRACH bei einem bestimmten V ._IN ist) oder intermittierend sein (P_LIM nur etwas größer oder sogar geringer als P_TRACH bei einem bestimmten V ._IN) ist. Wenn intermittierender Durchfluß zusammen mit spontanen Atembemühungen auftritt (P_TRACH von dem Punkt in der Graphik abfällt, 4), hilft der Insufflationsdurchfluß V ._IN bei der Abgabe von Luftdurchfluß an die Lungen. Dieses Muster von intermittierender transtrachealer Insufflation, die mit aktiven (spontanen) Atembemühungen koordiniert ist, wird hierin als aktive transtracheale Insufflation (ATTI) bezeichnet.
Wenn spontane Atembemühungen fehlen, ist eine andere Art von intermittierendem Durchflußbetriebszustand möglich. In dieser Ausführungsform wird der Trachealdruck auf einem relativ hohen Wert durch die Verwendung von relativ hohen Werten von V ._IN und durch Einstellen von P_LIM auf einem relativ hohen Wert gehalten. Bei diesen hohen Werten von V ._IN und P_LIM reißen häufig spontane Atembemühungen ab, insbesondere in dem Übergangsschlafstadium, wie dies unten ausführlicher beschrieben wird. Ausatmen von Gas aus den Lungen wird durch intermittierendes Reduzieren oder Beenden von V ._IN durchgeführt, was ermöglicht, daß P_TRACH sinkt, wenn sich die Lungen entleeren. Nach einer speziellen Verzögerungszeit oder nachdem ein spezieller Differenztrachealdruckwert erreicht ist, wird V ._IN fortgesetzt. Dieses Muster von intermittierender Insufflation bei Fehlen von spontanen Atembemühungen wird hierin als passive transtracheale Insufflation (PTTI) bezeichnet, weil das Atmungssystem passiv aufgeblasen und entleert wird.
In Abhängigkeit von den physiologischen Bedürfnissen eines bestimmten Patienten oder den Eigenschaften seines oder ihres oberen Atemwegs können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in sowohl kontinuierlichen als auch intermittierenden Betriebsarten und in Kombinationen von sowohl den intermittierenden ATTI- als auch PTTI-Betriebsarten funktionieren. Diese verschiedenen Atemmuster und Arten der Beatmungsunterstützung ergeben sich anhand der Einstellung von speziellen V ._IN- und P_LIM-Werten relativ zum P_CRIT des oberen Atemwegs und der Druck-Durchfluß-Beziehungen (4).
Mit entweder den kontinuierlichen oder den intermittierenden ATTI-Betriebsweisen kann V ._IN nicht ausreichen, um, wie oben erwähnt, die Beatmungsanforderungen des Patienten zu erfüllen. In diesem Fall wird P_TRACH während des Einatmens in dem spontan atmenden Patienten fortschreitend sinken. Wenn derartige Abfälle von P_TRACH beobachtet werden, dann kann der V ._IN-Wert angehoben werden, um den erforderlichen zusätzlichen Einatmungsdurchfluß zu liefern, wie dies unten ausführlicher beschrieben wird.
In der intermittierenden PTTI-Ausführungsform wird Atemgas zu Beginn kontinuierlich durch die Luftröhre strömen und aus den oberen Atemwegen abziehen. Massendurchfluß von Luft in die Lungen und aus denselben wird nicht auftreten, bis V ._IN ein- und ausgeschaltet oder variiert wird, um die Lungen intermittierend aufzublasen und zu entleeren. Wenn sich die Lungen entleeren, wird Luft nur frei durch die oberen Atemwege abziehen, solange P_TRACH oberhalb des P_CRIT des oberen Atemwegs bleibt. Der V ._IN-Wert wird somit zyklisch ein und aus sein, um für rhythmisches Aufblasen und Entleeren zu sorgen und geeignete Atemvolumen und Atemminutenvolumen zu erhalten.
Die 7 und 8 zeigen Schemadiagramme, die Algorithmen gemäß zahlreichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen. 7 zeigt die kontinuierliche und die intermittierende ATTI-Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Betriebsart werden V ._IN und P_LIM auf Schwellenwerte durch ein Titrationsprotokoll initialisiert, wie dies unten ausführlicher beschrieben wird. Dann wird P_TRACH überwacht. Wenn der gemessene Trachealdruck geringer als P_LIM ist, ist V ._IN ein, aber wenn P_TRACH über P_LIM ansteigt, wird V ._IN abgeschaltet oder reduziert.
Die intermittierende PTTI-Betriebsart ist in dem Schemadiagramm von 8 enthalten, die dem in 7 gezeigten Schema zusätzliche Möglichkeiten hinzufügt. In dieser Ausführungsform werden V ._IN und P_LIM wie zuvor initialisiert. Es kann auch eine Verzögerungszeit zum Beispiel auf 0, wenn kontinuierliche oder intermittierende Insufflation für einen spontan atmenden Patienten vorgeschrieben ist, oder auf einen speziellen Betrag (z.B. 0,5 bis 6 Sekunden) für Patienten eingestellt werden, die nicht spontan atmen. Die Verwendung einer Verzögerungszeit ist in Kästchen A in 8 dargestellt. Alternativ kann, wie in Kästchen B von 8 gezeigt, ein Ausatmungszieltrachealdruck, P_TARGET, geringer als P_LIM eingestellt werden. Wenn P_TRACH geringer als P_TARGET ist, wird V ._IN eingeschaltet und andauern, bis P_TRACH P_LIM erreicht. Wenn P_TRACH größer als P_TARGET ist, wird V ._IN nicht fortgesetzt, bis P_TRACH unter P_TARGET sinkt.
Gemäß der PTTI-Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn V ._IN auf ungefährt 15–45 Liter/min eingestellt ist und P_LIM auf ungefähr 30 cmH₂O eingestellt ist, typischerweise konstante Insufflation während des Schlafes. Außerdem wird ein P_LIM so eingestellt, daß V ._IN gestartet wird, wenn P_TRACH unter P_LIM abfällt. In diesem Fall wird V ._IN abgeschaltet (oder zur Atmosphäre umgelenkt) oder gesenkt, wenn P_TRACH P_LIM überschreitet. V ._IN kann danach nach einer eingestellten Verzögerungsdauer, z.B. 0,5 bis 6 Sekunden (vorzugsweise von ungefähr 1 bis 4 Sekunden für viele Patienten) fortgesetzt werden, wobei während der Zeit sich die Lungen entleeren. Alternativ kann zugelassen werden, daß P_TRACH auf einen vorgeschriebenen Ausatmungszielwert P_TARGET abnimmt, bevor V ._IN fortgesetzt wird.
In PTTI kann die Zeitkonstante (τ) dieser Reaktion durch den Widerstand des oberen Atemwegs (R_S für Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe, R_US für nichtobstruierte Patienten ohne Apnoe) und Atmungssystemnachgiebigkeit (τ = 1/(R_S·C_rs)) und die P_TRACH-Asymptoten jeweils an dem P_CRIT des oberen Atemwegs oder atmosphärisch ermittelt werden. Bei typischen Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe erzeugt ein V ._IN von ungefähr 15 Liter/min Aufblas/Entleerschwankungen von P_TRACH von ungefähr 5–10 cmH₂O in 1–3 Sekunden und ist mit angemessener Beatmung verbunden.
Alternativ kann der Durchfluß von Atemgas fortgesetzt werden, wenn der gemessene Gasdruck in der Luftröhre auf einen Differenztrachealgasdruckwert (P_TARGET) unter dem Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM abfällt. In dieser Ausführungsform liegt der Differenztrachealgasdruckwert P_TARGET typischerweise von ungefähr 2 bis ungefähr 40 cmH₂O unter dem Trachealgasdruckgrenzwert P_LIM, vorzugsweise von ungefähr 3 bis ungefähr 15 cmH₂O unter P_LIM.
In den 9 und 10 sind Komponenten von Transtrachealbehandlungsvorrichtungen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt. Der Klarheit halber sind zwei Hauptkomponenten des Behandlungssystems ein Gasabgabesystem und ein Meßsystem.
Das in 10 gezeigte Gasabgabesystem ist zur Abgabe zum Beispiel von einer Luft/O₂-Quelle mit Atemgasdurchflußraten von ungefähr 4 bis ungefähr 60 L/min durch einen Verlängerungsschlauch und eine Transtrachealkanüle gestaltet. Die bevorzugte Durchflußvorrichtung, die die Transtrachealkanüle verbindet, liefert einen konstanten Durchfluß bei einer relativ hohen Druckhöhe. Diese Druckhöhe wäre erforderlich, um den hohen Widerstand der Transtrachealkanüle mit relativ kleinem Durchmesser zu überwinden, was unten erörtert wird.
Die zum Antreiben von Luftdurchfluß erforderliche Druckhöhe durch z.B. eine 20 cm lange Transtrachealkanüle (1,5 mmID) und durch sowohl die Kanüle als auch einen 14 Fuß langen Verlängerungsschlauch (4 mmID) sind untersucht worden. Die Ergebnisse erscheinen in 11 für Druck über Luftdurchfluß. In dieser Figur stellen die Versuche A und B die Druck-Durchfluß-Beziehung dar, wenn Druck stromaufwärts zum 14 Fuß langen Verlängerungsschlauch und zur Transtrachealkanüle gemessen wird. Die Versuche C und D stellen diese Beziehung dar, wenn Druck genau stromaufwärts zur Transtrachealkanüle gemessen wird, wobei der Druckverlust über den Verlängerungsschlauch vernachlässigt wird. Für den Hausgebrauch im Bett wird erwartet, daß ein 6 bis 8 Fuß langer Verlängerungsschlauch alles ist, was erforderlich sein wird.
Somit sind die Druck-Durchfluß-Beziehungen für die Kombination von einem Katheter und einem 6 Fuß langen Verlängerungsschlauchsystem auch untersucht worden. Die Ergebnisse erscheinen in 12 für Luftdurchfluß über Druck. Wie vorangehend bemerkt, weist der Verlängerungsschlauch einen Innendurchmesser von 4 mm auf. Ein käuflich erhältlicher Katheter, der unter der Bezeichnung SCOOP von Transtracheal Systems verkauft wird, und eine käuflich erhältliche Kanüle, die unter der Bezeichnung PORTEX von Sims, Inc., verkauft wird, wurden beide beurteilt. Wie ersichtlich ist, kann eine Druckhöhe von bis zu 1.200 cmH₂O erforderlich sein, um Durchflußraten von 40–45 L/min durch die PORTEX-Kanüle zu erzielen. Genannte Druckköpfe erzeugen nur näherungsweise 25 L/min durch den SCOOP-Katheter. Somit kann eine zweistufige Lösung angemessen sein. Zum Beispiel kann bei Patienten, die relativ geringe Durchflüsse von weniger als 25 L/min erfordern, ein Katheter vom SCOOP-Typ ausreichen, während eine größere Kanüle vom PORTEX-Typ ausgewählt werden kann, um die höheren Durchflußraten zu liefern. Ein Verlängerungsschlauch mit größerer Bohrung würde auch helfen, da er eine Durchflußabgabe durch die Transtrachealkanüle bei einer geringeren Druckhöhe ermöglichen würde. Somit kann ein Verlängerungsschlauch mit einer Länge von näherungsweise 3 Fuß und einem Innendurchmesser von 5–10 mm besonders erwünscht sein.
Die zum Erzeugen von Durchflüssen von bis zu 40 L/min durch eine Luftröhre mit einem ID von 4 mm mit einer Länge von ungefähr 11 cm erforderlichen Drücke sind auch gemessen worden und die Ergebnisse werden in 13 gezeigt. Diese Parameter definieren eine beispielhafte minimale Länge und einen beispielhaften maximalen Durchmesser der Kanüle, um die notwendige Luft in die Luftröhre zu bekommen. Somit beschreibt die dargestellte Beziehung die minimale Druckhöhe, die erforderlich ist, um genannte höhere Luftdurchflußwerte in die Luftröhre zu treiben.
Die Eingabe bei der Gasdurchflußsteuereinheit des Durchflußerzeugers enthält den ärztlich vorgeschriebenen Wert von Insufflationsdurchfluß V ._IN. Die Einheit muß die Durchflußrate messen und eine Druckhöhe liefern, die zum Erzeugen des Durchflusses erforderlich ist. Anhand des vorangehenden ist der in 10 gezeigte Durchflußerzeuger vorzugsweise fähig, zum Beispiel zwischen 4 und 60 L/min durch den Verlängerungsschlauch und die Transtrachealkanüle zu liefern, und für diesen Zweck sollte er vorzugsweise fähig sein, Druck von bis zu ungefähr 1.500 cmH₂O zu erzeugen. In Abhängigkeit von der Größe der Transtrachealkanüle wird der Arbeitsbereich wahrscheinlich zwischen 100 und 400 cmH₂O liegen.
Bei hypoxämischen Patienten kann es erwünscht sein, ergänzenden Sauerstoff in den Gasstrom zu mischen, und das Gaszuführsystem kann geeignet gestaltet sein, um für selektives, gesteuertes Sauerstoffmischen in die an den Patienten abgegebene Luft zu sorgen. Geeignete Sauerstoffmischsysteme sind z.B. von Bird Oxygen Blender, Ohmeda Blender und Sensor Technologies, Teledyne, Inc., käuflich erhältlich. Außerdem kann für Sicherheitszwecke und für den Komfort des Patienten erwünscht sein, den Gasstrom anzufeuchten, um eine Irritation der Atemwegsschleimhaut zu minimieren.
Der Transtrachealkatheter ist in 10 schematisch gezeigt. Der Transtrachealkatheter ist ein längliches flexibles Rohr, das aus biologisch verträglichem Material gebildet ist. Gemäß der Erfindung weist das proximale Ende des Katheters vorzugsweise eine geeignete Verbinderstruktur zum Verbinden des Rohres mit der Luftzufuhr, allgemein mittels eines Verlängerungsschlauches, der sich von dem Gasdurchflußerzeugungssystem zum Patienten erstreckt, auf. Das distale Ende des Rohres weist vorzugsweise eine Anzahl von Perforationen auf, um den freien Luftdurchfluß sicherzustellen, und ist zur Anordnung in dem Atemdurchgang des Patienten gestaltet. Das Rohr kann einen Innendurchmesser von zum Beispiel 1,0 mm (SCOOP) oder 4,0 mm (PORTEX) für erwachsene Patienten und ungefähr die Hälfte davon für pediatrische Patienten aufweisen.
Die Rohrwandstruktur und -dicke ist derart, daß sie Biegen des Rohres während des Einführens in die Luftröhre ermöglicht, während sie gegen dauerhafte Verformung, Krümmung oder Knicken beständig ist. Das Rohr kann teilweise oder vollständig verstärkt sein, um Beständigkeit gegen unerwünschtes Knicken zu erleichtern, und/oder eine relativ weiche oder nachgiebige Spitze aufweisen, um eine Verletzung während des Einführens oder im Gebrauch zu vermeiden. Das Rohr kann auch mit einem Material geeignet beschichtet oder imprägniert sein, um Einführen und Herausnehmen zu erleichtern, Heilen des Einführortes zu fördern, Infektion zu vermeiden und/oder die Durchgängigkeit des Atemwegs des Patienten und des inneren Lumens des Katheters aufrechtzuerhalten.
Es sind verschiedene Transtrachealkatheter bekannt und es kann einer mit geeignetem Durchmesser und geeigneter Länge für den Einbau in das Gasabgabesystem gemäß der Erfindung ausgewählt werden. Beispielhafte Transtrachealkatheter und Verfahren zum Einführen derselben sind in den U.S.-Patenten Nr. 5,181,509 und 5,090,408 beschrieben. Nichtsdestotrotz werden einige Modifikationen an der herkömmlichen Transtrachealkanüle deren Anpassung an die Behandlung von Schlafapnoe gemäß der Erfindung vorteilhaft erleichtern. Als erstes kann die Kanüle einen etwas größeren Innendurchmesser aufweisen, um Gasabgabe mit geringeren Antriebsdruckhöhen zu erleichtern, wie dies durch die in 12 gezeigten Daten beispielhaft erläutert ist. Zweitens sollte die Kanüle vorzugsweise so austreten, daß sie relativ bündig mit der Haut sitzt. Diese Modifikation macht die Kanüle weniger auffällig, insbesondere für Leute, die deren Kragen schließen möchten. Drittens kann die Kanüle gestaltet sein, um herausgenommen zu werden, wenn sie während des Tages nicht verwendet wird. In dem Fall könnte eine transtracheale Knopfkomponente (nicht im Detail gezeigt) eingesetzt werden, um die Luftröhre abzudichten und deren Verschluß zu verhindern. Es können verschiedene Knopfgrößen, in Abhängigkeit von der Tiefe der subkutanen Gewebe, vorgesehen sein und ein weicher Schirmbund könnte verwendet werden, um zu verhindern, daß der Knopf herausspringt. Genannter Flansch ist von Medtronic entwickelt worden, aber wird zur Verankerung eines Druckwandlers im Brustknochen verwendet. Das Medtronic-Produkt, das in deren vollständig implantierbares System zur Stimulierung des hypoglossalen Nervens eingebaut ist, ist ein flexibler Silikonschirm um das Ende einer Kanüle. Der Schirm komprimiert, wenn die Kanüle durch Gewebe eingeführt wird, und öffnet, wenn er einen Hohlraum oder ein Lumen erreicht. Wenn die Kanüle herausgenommen wird, kehrt der Schirm um und ist es möglich, die Kanüle herauszunehmen. Es sind andere zusammenfaltbare und/oder selektiv verankerbare Strukturen, z.B. in suprapubischen Kathetern, bekannt und könnten gemäß der Erfindung vorgesehen sein.
Eine Druckabbaueinrichtung könnte als ausfallsicher vorgesehen sein, um Überaufblasen der Lunge zu verhindern. Falls vorgesehen, sollte diese Druckabbaueinrichtung überschüssiges Gas ablassen, wenn der Druck einen ausgewählten Schwellenwert P_MAX überschreitet. Eine genaue Überwachung des Trachealdrucks mit Rückkopplungssteuerung für den Gasdurchflußerzeuger wird die Tendenz zum übermäßigen Aufblasen und dessen unerwünschte Folgen minimieren.
Wie in 10 gezeigt ist, weist das Trachealdruckmeßsystem, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, zwei Hauptkomponenten auf: einen Trachealdrucksensor, und Steuer/Logik-Schaltungen zur Steuerung der Gasabgabeeinrichtung. Zusätzlich zur P_TRACH-Eingabe vom Sensor können die Eingaben an die Steuerung vorteilhafterweise den P_LIM und weitere Schwellen- und maximale Werte für die zahlreichen Parameter enthalten, die überwacht und in die Steuerung gegeben werden, um für Rückkopplungssteuerungs- und Alarmbetriebsweisen nach Bedarf zu sorgen. Die Ausgabe von der Steuereinheit enthält vorzugsweise ein Signal, um entweder den Durchflußerzeuger ein- und auszuschalten, den Durchfluß zu erhöhen oder den Durchfluß nach Bedarf von der Kanüle umzulenken. Ein Datenspeicher- und -wiedergewinnungssystem kann auch vorteilhafterweise mit der Steuereinheit und/oder dem Trachealdrucksensor zur Aufzeichnung von und zum Zugreifen auf Signalformen von dem P_TRACH-Signal und vom V ._OUT-Signal während eines Patiententests in Wirkverbindung stehen. Zusätzlich zeigen die Datenanzeige- und -analyseeinheiten vorzugsweise physiologische Signale an und initialisieren V ._IN- und P_LIM-Einstellungen und werden sie physiologische Parameter (Zeitkonstante τ, P_CRIT, R_S und P_TRACH beim V ._IN-Wert) berechnen, um Rückkopplung/Daten für die Therapie überwachende Ärzte zu liefern.
Der Trachealdrucksensor kann vorzugsweise in die tracheale Kanüle eingebaut sein. Zum Beispiel kann eine separate innere Kanüle mit einer Öffnung in der Luftröhre vorgesehen sein. Diese Kanüle kann dann mit einem Standarddehnungsmesser zur Übertragung des Drucksignals verbunden werden. Viele Hersteller erzeugen genannte Dehnungsmesser, einschließlich Gould, Validyne und Celesco. Alternativ kann der Druck in der Luftröhre durch Einbau eines Piezosensors in den transtrachealen Abschnitt der Kanüle übertragen werden. Eine Anzahl von Herstellern erzeugt ebenfalls genannte Sensoren für medizinische/physiologische Zwecke, einschließlich Milar, Camtech, Gaeltec und Synetics. Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte der Sensor Druckschwankungen im Bereich von –100 bis +100 cmH₂O und optimalerweise im Bereich von –50 bis +50 cmH₂O messen können.
Das Trachealdrucksignal wird verarbeitet, um Daten zu liefern, die für die Überwachung und Steuerung der Wirksamkeit der Gasabgabe relevant sind. Die Detektion fokussiert sich auf: (1) Überwachung von P_TRACH, und (2) Beenden von V ._IN, wenn P_TRACH P_LIM überschreitet, andernfalls Fortsetzen von V ._IN. Ferner kann einer bzw. können mehrere der folgenden Atmungsparameter auch überwacht werden: Speiseröhrendruck, Atemvolumen und Oximetrie. Routineüberwachung von Schlaf, einschließlich Elektrokardiogramme, Elektroenzephalogramme und submentales Elektromyogramm können auch von Vorteil sein. Geeignete Überwachungseinrichtungen und Verarbeitungssysteme für genannte Überwachung und Bewertung sind allgemein bekannt.
BEISPIELE
Es wurden fünf Patienten mit Tracheostoma mit obstruktiver Schlafapnoe untersucht. Diese Patienten wurden aufgrund von deren besonderen Physiologie des oberen Atemwegs ausgewählt, die durch die Entwicklung eines positiven P_CRIT während des Schlafes gekennzeichnet ist. Zusätzlich lieferte die Tracheostomie direkten Zugriff auf die Luftröhre zur Drucküberwachung und transtrachealen Insufflation (siehe unten).
Bei diesen Patienten wurde die Tracheostomie verschlossen und wurde eine dünne transtracheale (SCOOP, Transtracheal Systems, Inc., Denver, CO) Kanüle durch eine Tracheostomiekappe eingeführt, durch die transtracheale Insufflation mit Durchflußraten von bis zu 45 Litern/Minute verabreicht wurde. Der Trachealdruck wurde mit einem in die Tracheostomiekappe eingeführten Stub-Adapter überwacht. Der Druck in dem Pleuralraum (Ösophagus) außerhalb der Lungen (P_ES) wurde mit einem Standardösophagusballonkatheter überwacht, der perinasal in dem Mittenösophagus plaziert war. Aus den oberen Luftwegen kommender Luftdurchfluß V ._OUT wurde mit einer eng anliegenden oronasalen Gesichtsmaske überwacht. Zur Unterscheidung von Schlaf-Wach-Zustand wurde auch Standardpolysomnographie durchgeführt.
Muster wurden auf einem Testbett gebildet, das einen Trachealdrucksensor, Computer, Magnetventil und Luftkompressor enthielt, wie dies in 9 dargestellt ist. Der Trachealdruck P_TRACH wurde überwacht und digitalisiert. V ._IN wurde auf zwischen 0 und 45 Liter/Minute eingestellt. Durchfluß vom Luftkompressor wurde entweder an den Patienten über eine Transtrachealkanüle angelegt oder direkt zur Atmosphäre durch das Magnetventil abgelassen. Das Magnetventil wurde von einem Computer gesteuert, wie dies unten detaillierter dargestellt ist.
Der Trachealdruck wurde kontinuierlich digitalisiert und überwacht. Es wurde ein Druckgrenzwert P_LIM eingestellt, über den P_TRACH nicht würde ansteigen dürfen. Wenn der Trachealdruck unter P_LIM blieb, wurde ein konstanter Wert von Luftdurchfluß V ._IN an den Patienten abgegeben. Wenn dieser P_LIM überschritten wurde, wurde der Computer so programmiert, daß er Luft vom Patienten zur Atmosphäre umlenkt.
Die folgenden Atmungsparameter wurden auch überwacht: Ösophagusdruck, Atemvolumen und Oximetrie. Routineüberwachung von Schlaf schloß Elektrokardiogramme, Elektroenzephalogramme und submentales Elektromyogramm ein.
Es wurden zwei Protokolle durchgeführt. Erstens wurde auf die Atmungsreaktionen während Zeitdauern zugegriffen, wenn die Durchflußrate durch die Trachealkanüle zufallsmäßig auf Werten von 0, 5,0, 7,5, 10,0 12,5, 15,0 30 und 45 L/min variiert wurde. Der Durchflußwert, der mit den verbesserten Atmungsmustern verbunden war, wurde dann identifiziert. Dieser Wert wurde dann kontinuierlich während des Schlafes über 180 Minuten angewendet, um zu ermitteln, wie effektiv obstruktive Apnoen eliminiert wurden.
Beispielergebnisse sind in den 14–31 dargestellt.
14 stellt den Fall dar, in dem V ._IN Null ist, eine Basislinienaufzeichnung während des Schlafens, unterbrochen von zwei Perioden von TTI (V ._IN = 15 L/min, P_LIM = 30 cmH₂O) vor und nach der Basislinienperiode. Typische obstruktive Apnoen sind durch Perioden mit Luftdurchfluß von Null aus den oberen Atemwegen V ._OUT gekennzeichnet, trotz merklicher Einatmungsabweichungen von P_TRACH, die sich mit jedem nachfolgenden Atmen verstärken, bis Mikroaufwachen aus dem Schlaf erfolgt. Merkliche Oxyhämoglobinentsättigungen traten nach jeder Apnoeepisode ein (geringeres Signal, Abfälle von SaO₂). An diesem Punkt öffnet der Atemweg, was Fortsetzen von Luftdurchfluß zuläßt (V ._OUT).
Im Gegensatz dazu baute TTI vor (linke Seite) und nach (rechte Seite, 14) dieser Steuerperiode merklich negative P_TRACH-Schwankungen, Entsättigung und Mikroaufwachen (nicht gezeigt) während Nicht-REM-Schlaf ab. Während TTI wird ein kontinuierlich schwankender nach außen gerichteter Durchfluß durch die Nase und den Mund (V ._OUT) aufgezeichnet.
15 zeigt ein Beispiel für einen ungeeigneten Wert von V ._IN in einem Apnoepatienten während Nicht-REM-Schlaf. Speziell stellt 15 den Trachealdruck P_TRACH und den Luftdurchfluß durch die Nase und den Mund V ._OUT im Zeitablauf dar, wenn der Patient einen Insufflationsdurchfluß V ._IN von 7 L/min erhält und P_LIM auf 30 cmH₂O eingestellt ist.
Während inspiratorischer negativer Abweichungen von P_TRACH sank V ._OUT auf Null, was anzeigt, daß der obere Luftweg verschlossen ist. Während dieser Einatmungen tritt keine Luft durch die oberen Atemwege (Luft tritt durch die oberen Atemwege aus, V ._OUT bleibt positiv), was anzeigt, daß V ._IN die einzige Quelle von Luft zum Aufblasen der Lungen bleibt. Es werden fortschreitend zunehmende Einatmungsschwankungen von P_TRACH beobachtet, was anzeigt, daß dieser Wert von V ._IN nicht den Beatmungsbedarf des Patienten erfüllt. Da V ._IN ungeeignet ist, wacht der Patient aus dem Schlaf auf (rechte Seite von 15) und sinkt die Oxigenierung. Man beachte, daß während des Aufwachens der Patient nun durch seinen oberen Atemweg einatmet (V ._OUT wird negativ), was anzeigt, daß der obere Atemweg erneut geöffnet worden ist.
16 stellt den Fall dar, in dem ein angemessener Wert V ._IN gemäß einem Aspekt der Erfindung vorhanden ist. In dieser Darstellung sind P_TRACH und V ._OUT im Zeitablauf während eines stabilen Stadium II-Nicht-REM-Schlafs gezeigt, wenn der Patient 15 L/min V ._IN erhält und P_LIM auf 30 cmH₂O eingestellt ist. Bei diesem Wert von V ._IN wird ein stabiles Atemmuster ohne Mikroaufwachen aus dem Schlaf oder Oxyämoglobinentsättigungen beobachtet. V ._OUT bleibt oberhalb von Null über das gesamte Einatmen und Ausatmenm, was angibt, daß der Patient alleine aus der V ._IN-Quelle atmet. Während inspiratorischer (hinuntergehender) Abweichungen von P_TRACH sinkt V ._OUT auf Null, was angibt, daß der gesamte Zufluß V ._IN, zur Lunge umgeleitet wird, statt daß er durch die oberen Atemwege abgelassen wird. Negative P_TRACH-Schwankungen steigern sich nicht länger, was anzeigt, daß die Beatmungsbedürfnisse des Patienten nun erfüllt werden. Da V ._IN nun geeignet ist, wacht der Patient nicht länger aus dem Schlaf auf und erfährt er keine Abnahmen von Oxigenerierung, wodurch eine Beseitigung von Apnoen und Hypopnoe unterstützt wird. Nichtsdestotrotz schwankt P_TRACH in großem Maße (näherungsweise 16 cmH₂O), was zeigt, daß TTI die Anforderung des Patienten an den Durchfluß nicht vollständig erfüllt.
In 17 wird die entsprechende Graphik von V ._OUT über P_TRACH für die in 16 gezeigten Atem beobachtet. Jeder Atem wird durch eine Druck-Durchfluß-Schleife beschrieben, von denen jede überlagert, um die Druck-Durchfluß-Beziehung für den oberen Atemweg während des Einatmens (ansteigender Ast) des Ausatmens (absteigender Ast) zu beschreiben. Mit jeder Einatmung sinkt P_TRACH und sinkt Durchfluß, der aus den oberen Atemwegen austritt (V ._OUT), auf Null, wenn P_TRACH unter P_CRIT sinkt (siehe P_CRIT, der in der Graphik gekennzeichnet ist). Der Ausatmungsast zeigt eine Zunahme von V ._OUT, wenn P_TRACH fortschreitend oberhalb von P_CRIT ansteigt. Die Einatmungs- und Ausatmungs-Druck-Durchfluß-Beziehungen sind mit dem in den 4–6 dargestellten Konzeptrahmen konsistent, die sich auf die Verteilung von verabreichten TTI-Durchfluß, V ._IN, zwischen den Lungen und oberen Atemwegen beziehen, wenn sich der Trachealdruck über den gesamten Atmungszyklus ändert. Eine Hysterese im Uhrzeigersinn wird zwischen den Einatmungs- und Ausatmungsästen beobachtet. In diesem Beispiel ist ein kontinuierlicher Durchfluß von TTI bereitgestellt, da P_TRACH niemals auf den Wert von P_LIM ansteigt, wie dies auf der P_TRACH-Achse gezeigt ist.
18 stellt P_TRACH und V ._OUT während eines Übergangsstadium I-Nicht-REM-Schlafs dar, wenn V ._IN gleich 15 L/min ist und P_LIM auf 35 cmH₂O für denselben Apnoepatienten eingestellt ist, der in den 14, 16 und 17 dargestellt ist. In diesem Beispiel bleibt V ._OUT während einer Dauer von kontinuierlichem TTI im Übergangsschlaf (Mitte) auf Null, was angibt, daß die oberen Atemwege geschlossen bleiben. P_TRACH steigt fortschreitend während dieser Periode an, wenn V ._IN fortfährt, die Lungen aufzublasen. Abnehmende Trachealdruckschwankungen fehlen, was anzeigt, daß spontane Einatmungsbemühungen unterdrückt werden, wahrscheinlich durch Lungenaufblasreflexe in diesem Schlafstadium. Diese Episoden, die in der medizinischen Literatur vorher nicht beschrieben waren, werden hierin als "Glottis"-Apnoen basierend auf aktuelle Erkenntnisse in unserem Labor bezeichnet, die anzeigen, daß die Stimmbänder die oberen Atemwege verschließen und Atmungsbemühungen beenden. Schließlich werden diese Episoden durch Mikroaufwachen (siehe rechte und linken Seiten des Diagramms) beendet, wobei zu diesen Zeitpunkte V ._OUT aus den oberen Atemwegen (die oberen Atemwege öffnen) abzieht und P_TRACH wieder sinkt. Wenn der Patient in den Übergangsschlaf fällt, steigt P_TRACH wieder an und folgt eine weitere Glottis-Apnoe.
Wir haben die Häufigkeit dieser Glottis-Apnoen während Perioden von TTI (unter Verwendung von V ._IN = 15 L/min, P_LIM = 30 cmH₂O) für drei aufeinanderfolgende Stunden Schlaf bei fünf Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe ermittelt. Bei Vergleich des Apnoe-Hypopnoe-Indexes (Anzahl von Apnoen und Hypopnoen/Stunde Nicht-REM-Schlaf, ein Maß für den Grad von Schlafapnoe) haben wir keine wesentliche Verringerung des Apnoe-Opnoe-Indexes mit TTI (44,6 ± 31,7 Episoden/Stunde, Mittelwert ± SD) im Vergleich zu ohne TTI (63,7 ± 21,8 Episoden/Stunde) festgestellt. Obwohl TTI mit einer Verringerung der obstruktiven Atemepisoden von 63,8 ± 21,8 auf 15,7 ± 20,2 Episoden/Stunde verbunden war, stieg die Häufigkeit von Glottis-Apnoen von Null auf 28,6 ± 12,6 Episoden/Stunde mit TTI an, wodurch der Mangel an Gesamtverbesserung des Apnoe-Hypopnoe-Indexes mit diesen TTI-Einstellungen begründet wird.
Es ist klar, daß, während kontinuierliche TTI zur Beseitigung von obstruktiver Schlafapnoe für Perioden mit stabilem Schlaf vielversprechend ist, merkliches schlafgestörtes Atmen mit kontinuierlichem TTI während Übergangsschlaf charakterisieren kann. Die Glottis-Apnoen setzen damit fort, den Schlaf zu stören, die Tageszeit-Hypersomnolenz aufrechterhaltend, die Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe quält. Außerdem sind diese Glottis-Apnoen mit großen Erhöhungen des Trachealdrucks verbunden. Genannte Zunahmen blasen die Lungen übermäßig auf und stellen ein wesentliches Risiko für Pneumothorax und Barotrauma dar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann Barotrauma, das sich anhand der Entwicklung von hohen Trachealdrücken von mehr als ungefähr 30 cmH₂O ergibt, verhindert werden und kann Schlaffragmentation, die sich anhand von wiederkehrenden Glottis-Apnoen ergibt, beseitigt werden. Beides kann durch Senken von P_LIM auf einen vorgeschriebenen Wert angegangen werden.
Anhand der getesteten Patienten hat sich herausgestellt, daß obstruktive Apnoen mit einem V ._IN von 15 Litern/min wesentlich reduziert werden. Einige Patienten können mit geringeren Durchflußraten von ungefähr 8 bis 10 L/min und sogar bis hinab auf 4 L/min behandelt werden, wenn relativ geringe Grade von Beatmungsunterstützung verlangt werden. Andererseits legen große Einatmungstrachealdruckschwankungen und Mitteneinatmungseinstellung von V ._OUT nahe, daß höhere Durchflußraten bei vielen Apnoepatienten gewährleistet werden. In der Tat erzeugen Leute normalerweise Spitzeneinatmungsdurchflußraten von 35–40 L/min während des Atmens im Ruhezustand. Dementsprechend kann der Beatmungsbedarf mit höheren
-Durchflußraten erfüllt werden.
Der Effekt von derartigen Erhöhungen von V ._IN auf P_TRACH- und V ._OUT-Signalen ist in der 19 (27 L/min) und 20 (47 L/min) für Perioden mit stabilem Nicht-REM-Schlaf dargestellt. Wie ersichtlich ist, erzeugt die Abreichung von hohen Durchflüssen V ._IN V ._OUT-Werte, die niemals nahe auf Null fallen, was andeutet, daß Luft kontinuierlich aus den oberen Atemwegen abzieht. In der Tat führt eine Einatmung, die durch abnehmende Abweichungen in beiden Signalen angedeutet wird, zu einer gewissen Reduzierung des Durchflusses, der aus der Nase und dem Mund herauskommt. Nichtsdestotrotz existiert viel Durchfluß unverändert während des Einatmens im Vergleich zu dem, der angetroffen wird, wenn V ._IN geringer ist (16). Als Ergebnis ist es nun möglich, daß der Patient Durchfluß von dem V ._IN-Luftstrom in die Lungen während des Einatmens umlenkt, ohne den Trachealdruck wesentlich zu senken. Umgekehrt dienen die oberen Atemwege dazu, überschüssige Luft von der TTI-Quelle abzulassen, wobei größeres CO₂-Auswaschen durch TTI-Durchfluß während des Ausatmens bereitgestellt wird. Dies steht im Kontrast zu den größeren Abweichungen des Trachealdrucks, die in 16 zu sehen sind, wenn V ._IN geringer ist. Anhand dieser Daten kann geschlossen werden, daß die Trachealdrucksignalform verwendet werden kann, um zu ermitteln, ob V ._IN ausreicht, um die Atmungsanforderungen des Patienten zu erfüllen. Typischerweise kann V ._IN zwischen 15 und 60 L/min für viele Patienten bevorzugt werden, die relativ hohe Grade von Beatmungsunterstützung erfordern.
Zum Beispiel können höhere Durchflußraten von bis zu 40 oder 50 L/min erforderlich sein, um die Therapie bei einigen Patienten mit hohen Beatmungsanforderungen zu optimieren, während viele Patienten mit Werten von 12,5 bis 25 L/min oder niedriger gut behandelt werden können. Die Verwendung von genannten relativ hohen Durchflußraten benötigt die Überwachung von Trachealdruck, um die Entwicklung von Glottis-Apnoen und nachfolgenden Aufbau von übermäßig hohen Werten von P_TRACH während des Übergangsschlafs zu verhindern, wenn die Glottis-Apnoen auftreten.
Dementsprechend können Glottis-Apnoen verhütet werden, indem der Aufbau von Trachealdruck verhindert wird, wenn das TTI-Gas eingesetzt wird. Dies wird durch wesentliches Senken von P_LIM durchgeführt. In den Beispielen, die folgen, ist der Effekt von Senken von P_LIM und Anheben von V ._IN für denselben Patienten dargestellt, der in den
14 und 16–18 gezeigt ist. Wenn P_LIM 20 cmH₂O betrug und V ._IN 15 L/min betrug, folgte ein intermittierendes ATTI-Muster (21). V ._IN wurde über das gesamte Einatmen angewandt (wenn abnehmende Schwankungen von P_TRACH beobachtet wurden). Nichtsdestotrotz blieben P_TRACH-Schwankungen recht erhöht bei näherungsweise 16 cmH₂O, was andeutet, daß der Beatmungsbedarf nicht vollständig erfüllt wurde. Die entsprechende Druck-Durchfluß-Beziehung für die Aufzeichnung in 21 ist in 22 gezeigt. In dieser Graphik ist der Verschluß der oberen Atemwege (V ._OUT von Null) mit Reduzierungen von P_TRACH unter P_CRIT verbunden, wie dies vorangehend genannt wurde.
In 23 sind die negativen Schwankungen von P_TRACH durch Erhöhen von V ._IN auf 45 L/min merklich gedämpft (P_LIM = 20 cmH₂O). Die entsprechende Druck-Durchfluß-Beziehung für diese Aufzeichnung erscheint in 24, die merkliches Einengen der Schwankungen von P_TRACH und V ._OUT zeigt, der über den gesamten Atmungszyklus positiv bleibt. Zusätzlich wird die Hysterese zwischen den Einatmungs- und Ausatmungsschleifen dramatisch reduziert, nun tritt nicht länger der Verschluß des oberen Atemwegs und erneutes Öffnen auf. Dieses Muster reflektiert am besten ein normales Atmungsmuster mit einem nicht obstruierten oberen Atemweg, aber ist mit wesentlichem CO₂-Auswaschen verbunden, das durch Ausatmungswerte von V ._OUT von nahezu 600 ml/s verursacht ist.
Zur Vermeidung von übermäßiger Leckage des Durchflusses und Senkung von CO₂-Auswaschen durch die oberen Atemwege senkten wir P_LIM auf 10 cmH₂O (V ._IN blieb bei 45 L/min). Die Schlafaufzeichnungen von Atmungssignalen und deren entsprechenden Druck-Durchfluß-Graphiken sind jeweils in 25 und 26 dargestellt. Mit einem niedrigeren P_LIM wird nun V ._IN nur bei Mitteneinatmung verwendet, wodurch Ausatmungswerte von V ._OUT und verbundenes CO₂-Auswaschen verringert werden. Nichtsdestotrotz bleiben Einatmungs-P_TRACH-Schwankungen nur näherungsweise 5–6 cmH₂O, was andeutet, daß die Beatmungsbedürfnisse des Patienten im Großen erfüllt sind. Obwohl P_TRACH auf den Punkt von Atemwegverschluß abfällt (V ._OUT wird zu Null), ist dieses Phänomen nur vorrübergehend und nicht mit einer weiteren Abnahme des Trachealdrucks während Einatmens verbunden.
Somit stellen die in den 21–26 beobachteten Atmungsmuster dar, wie Einatmungsunterstützungsgrade durch Einstellen von V ._IN zwischen 15 und 45 L/min variiert werden können, während Ausatmungsleckage und CO₂-Auswaschen durch die oberen Atemwege durch Variieren von P_LIM verändert werden können. In jedem Fall reichten die vorgeschriebenen V ._IN und P_LIM aus, um die Entwicklung von wiederkehrenden Glottis-Apnoen mit deren begleitenden Morbidität von übermäßig hohem Aufbau von Trachealdruck und Schlaffragmentation abzuwenden. Die Verhinderung von Glottis-Apnoen kann Reflexreaktionen zugeschrieben werden, die dabei helfen, ein stabiles spontanes Atemmuster aufrechtzuerhalten, wenn TTI intermittierend statt kontinuierlich angewendet wird und wenn der Trachealdruck durch P_LIM gedeckelt wird. Diese Erkenntnisse deuten an, daß geeignete Werte von V ._IN und P_LIM einen geeigneten Trachealdruckwert aufrechterhalten werden, um ausgeatmete Luft frei durch den oberen Atemweg abzulassen und dennoch den TTI-Durchfluß in Richtung auf die Lungen zu lenken, wenn der Patient einatmet.
Im Gegensatz zu den Erkenntnissen in den 25 und 26 bei einem V ._IN von 45 L/min und P_LIM von 10 cmH₂O nahmen die Atmungsschwankungen des Trachealdrucks wieder merklich zu, wenn V ._IN auf 15 L/min bei einem Trachealdruckgrenzwert von 10 cmH₂O gesenkt wurde. Die Atmungsaufzeichnungen auf Zeitbasis und entsprechende Druck-Durchfluß-Graphik sind für denselben Patienten mit diesen Einstellungen in den jeweiligen 27 und 28 dargestellt. In diesem Beispiel überschreitet P_LIM P_CRIT minimal. Unter diesen Umständen ist der Patient davon entscheidend abhängig, daß V ._IN seine Anforderungen an Einatmungsdurchfluß erfüllt. Wenn ein V ._IN von nur 15 L/min während des Mitteneinatmens verwendet wird, ist die Reaktion suboptimal. Dieses Beispiel stellt ein allgemeines Prinzip dar, daß die Reaktion auf spezielle V ._IN – und P_LIM-Werte beeinflußt. Wenn P_LIM sinkt (für einen bestimmten V ._IN), wird sich der Einatmungsarbeitszyklus der Vorrichtung derart verkürzen, daß größere Werte von V ._IN erforderlich sind, um den Durchflußbedarf eines Patienten zu befriedigen. Eine ähnliche Verkürzung des Arbeitszyklus wird auftreten, wenn V ._IN steigt (für einen bestimmten P_LIM).
Somit beobachten wir, daß ein V ._IN von 15 L/min und ein P_LIM von 10 cmH₂O für eine angemessene Einatmungsbeatmungsunterstützung mit einem minimalen Ausatmungsauswaschen von CO₂ aus dem anatomischen Totraum sorgen wird. Ein Zwischengrad von Einatmungsunterstützung und CO₂-Auswaschen kann bereitgestellt werden, wenn V ._IN auf 45 L/min bei einem P_LIM von 10 cmH₂O angehoben wird oder mit einem V ._IN von 15 L/min bei einem P_LIM von 20 cmH₂O. Schließlich können höhere Grade von sowohl Einatmungsunterstützung als auch Ausatmungs-CO₂-Auswaschen durch Anheben von sowohl V ._IN auf 45 L/min und P_LIM auf 20 cmH₂O bereitgestellt werden.
Anhand dieser Beobachtungen ist ersichtlich, daß es möglich sein sollte, therapeutische Reaktionen durch Überwachung des Trachealdrucksignals zu optimieren. Zur anfänglichen Behandlung von Apnoepatienten werden höhere Durchflußraten gewährleistet. Andererseits ist es möglich, die Entwicklung von übermäßigem intratrachealen hohen Druck mit zum Beispiel einer Trachealdruckrückkopplungsschaltung zu verhindern. Diese Steuereinrichtung ist äußerst erwünscht, um therapeutische Effizienz durch Reduzieren der Anzahl von Glottis-Apnoen zu maximieren und die Sicherheit durch Verhindern von Pneumothoraxes zu maximieren, eine Komplikation, die sich anhand von übermäßigem Lungenaufblasen ergibt. Zusätzlich wird dem Patienten vorzugsweise die Fähigkeit gegeben, die Vorrichtung ein- und auszuschalten, wie er/sie wünscht. Außerdem wird der V ._IN-Wert vorzugsweise durch Ärzte mit einem physiologischen Titrationsversuch in zum Beispiel einem Schlaflabor festgelegt und wird er für nächtlichen Hausgebrauch nachfolgend vorgeschrieben. Zusätzlich wird der Arzt den Schwellenwert P_LIM ermitteln, oberhalb dessen V ._IN automatisch gestoppt oder gekürzt wird, bis P_TRACH wieder in einen akzeptablen Bereich fällt.
Ein bevorzugtes Protokoll zur Ermittlung von V ._IN und P_LIM während des Schlafs wird unten geliefert und in 29 zusammengefaßt. Standardpolysomnographie wird für einen Patienten durchgeführt, in dem eine Transtrachealkanüle plaziert worden ist. P_TRACH und V ._OUT werden auch kontinuierlich während des Schlafs überwacht. P_LIMa wird auf einem Anfangswert von 0 bis ungefähr 40 cmH₂O, vorzugsweise von ungefähr 10 bis ungefähr 30 cmH₂O und noch bevorzugter bei ungefähr 20 cmH₂O initialisiert. V ._IN wird nach oben von Null in Schritten von ungefähr 2 L/min titriert, bis P_TRACH-Schwankungen geringer als von ungefähr 5 bis 20 cmH₂O, vorzugsweise geringer als ungefähr 10 cmH₂O sind. P_CRIT wird anhand der V ._OUT-P_TRACH-Kurve des Patienten ermittelt, wenn P_CRIT quantitativ ermittelt ist. P_LIM wird danach auf einen Wert von 0 bis ungefähr 30 cmH₂O über P_CRIT, vorzugsweise von ungefähr 5 bis ungefähr 20 cmH₂O über P_CRIT und noch bevorzugter ungefähr 15 cmH₂O über P_CRIT eingestellt.
Nach Initialisierung von V ._IN und P_LIM werden danach die Trachealdruckschwankungen während des Schlafs untersucht. Wenn die P_TRACH-Schwankungen größer als von ungefähr 2 bis 10 cmH₂O, bevorzugter größer als ungefähr 5 cmH₂O bleiben, wird V ._IN in Inkrementen von ungefähr 0,5 bis ungefähr 10 L/min, vorzugsweise von ungefähr 2 bis ungefähr 5 L/min-Inkremten, erhöht. In jedem Schritt überwachen wir Glottis-Apnoen. Wenn sie vorhanden sind, wird der P_LIM um von ungefähr 2 bis ungefähr 10 cmH₂O, vorzugsweise ungefähr 5 cmH₂O gesenkt. Wir erkannten jedoch oben, daß eine Abnahme von P_LIM zu größeren P_TRACH-Schwankungen führen kann. Wenn diese P_TRACH-Schwankungen ungefähr 5 cmH₂O überschreiten, wird V ._IN entsprechend erhöht. Das Protokoll wird fortgesetzt, bis P_TRACH-Schwankungen vorzugsweise geringer als ungefähr 5 cmH₂O sind und Glottis-Apnoen nicht länger vorhanden sind. Diese V ._IN- und P_LIM-Einstellungen werden danach für nächtlichen Gebrauch durch den Patienten vorgeschrieben. Dieses Protokoll ist in 29 schematisch dargestellt.
Wenn die therapeutischen V ._IN und P_LIM ermittelt sind, wird die Oxyhämoglobinsättigung vorzugsweise überwacht. Ergänzender Sauerstoff wird vorzugsweise titriert, um Oxyhämoglobinsättigung über 90 Prozent beizubehalten. Am Ende des Protokolls werden die folgenden Parameter vorzugsweise vom Arzt vorgeschrieben: (1) V ._IN; (2) P_LIM; und optional (3) F₁O₂ (der Bruchteil des eingeatmeten Sauerstoffs, der während der Insufflation verwendet wird).
Wir bemerkten, daß wir die patienteneigenen Einatmungsbemühungen durch abruptes Anheben von P_TRACH unterdrücken konnten, wenn Insufflation als erstes angewendet wurde. Wir initiierten somit ein Protokoll zur Erzeugung eines passiven TTI-Atmungsmusters (PTTI) nach Einstellung von V ._IN auf 30 Liter/min, P_LIM auf 25 cmH₂O und der Verzögerungsdauer von 2 Sekunden. Mit diesen Einstellungen beobachteten wir P_TRACH- und Ösophagusdruck (P_ES)-Anstieg und -Abfall in einen regelmäßigen Muster entsprechend den Aufblas (V ._IN bei 30 L/min)- und Entleer (V ._IN bei 0)-Phasen der PTTI-Beatmungsbetriebsarten (30).
Wenn P_TRACH und P_ES variierten, wurden entsprechende Zunahmen und Abnahmen von V ._OUT beobachtet, die anzeigen, daß Luft durch die oberen Atemwege in Verbindung mit Änderungen von V ._IN und P_TRACH abzog.
Zur Bestätigung, daß die spontanen Einatmungsbemühungen des Patienten unterdrückt worden sind, stoppten wir abrupt V ._IN für 20 Sekunden (31), wenn wir P_TRACH- und V ._OUT-Abnahme beobachteten. Zwei Schlüsselbeobachtungen wurden anhand der Abnahme dieser Signale gemacht. Erstens haben wir festgestellt, daß spontane Einatmungsbemühungen über wenigstens 18 Sekunden nicht eintraten, was anzeigt, daß die patienteneigenen spontanen Atmungsbemühungen unterdrückt worden sind, und andeutet, daß das PTTI für vollständige Beatmungsunterstützung gesorgt hat. Danach wurden spontane Einatmungsabfälle von P_TRACH beobachtet (außen rechts in dem Aufzeichnungsbeispiel von 31). Zweitens haben wir festgestellt, daß P_TRACH exponentiell abnahm, wie dies durch die Beziehung beschrieben ist: PTRACH = TTRACHo e–kt + PCRIT,wobei k 1/τ ist und τ die Zeitkonstante zum Leeren des Atmungssystems ist. Unsere Beobachtungen an vier Patienten deuten an, daß τ durch das Produkt genau angenähert wird: R_S·C_rs. Diese Erkenntnis wiederum bestätigt, daß die Aufblas/Entleereigenschaften des Atmungssystems unter dem PTTI-Betriebszustand durch die passiven biomechanischen Eigenschaften des Atmungssystems und der oberen Atemwege bestimmt sind. Es deutet auch an, daß diese biomechanischen Eigenschaften für den Zweck des Optimierens der PTTI-Parameter, V ._IN, P_LIM und die Verzögerungszeit charakterisiert werden können.
Für diesen Beatmungsbetriebszustand nehmen wir an, daß der V ._IN-Wert, wie oben erörtert, eingestellt wird. Wenn V ._IN zum Ausatmen abgeschaltet wird, wird P_TRACH P_CRIT asymptotisch erreichen. Für gewöhnliche Werte von K(1/τ) von 0,10 bis 0,50 und einen P_TRACH von 5 bis 30 cmH₂O wird P_TRACH nach einer Verzögerungsdauer von 1, 2 und 3 Sekunden abnehmen, wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist.
TABELLE 1
Alternativ versieht der PTTI-Algorithmus den Benutzer auch mit der Fähigkeit, einen Ausatmungsziel-P_TRACH-Wert einzustellen. Bei Annahme eines Anfangs-P_TRACH und Zeitkonstanten, wie gezeigt, kann die zum Erreichen dieses Ziel-P_TRACH erforderliche Ausatmungszeit anhand der obigen Daten ermittelt werden. Die vorangehenden Werte für K sind speziell für Patienten mit einem positiven P_CRIT. Wie jedoch unten ausführlicher erörtert, wird durch Bereitstellen von geeigneten Mitteln zum selektiven Blockieren von Durchfluß durch die Luftröhre erwartet, daß Ergebnisse, die mit denjenigen in der obigen Tabelle vergleichbar sind, erzielt werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung haben wir demonstriert, daß es möglich ist, Beatmung auf wenigstens drei Arten zu steigern. Die erste Beatmungsbetriebsart ist bei Patienten mit vollständigem Verschluß des oberen Atemwegs, wie zum Beispiel obstruktiver Schlafapnoe, effektiv. In diesem Zustand kann Luft nicht in die Lungen durch die oberen Atemwege trotz starker Einatmungsbemühungen eintreten. Durch Vorsehen einer im wesentlichen konstanten transtrachealen Quelle von Luftdurchfluß können sich die Lungen während der spontanen Einatmungsbemühungen des Patienten aufblasen. Nichtsdestotrotz sind wesentliche Abfälle des Trachealdrucks während des Einatmens bemerkt worden, wenn die tracheale Quelle von Luftdurchfluß ungeeignet ist oder Glottis-Apnoen aufgetreten sind. Zur Überwindung dieser Beschränkung kann der V ._IN erhöht werden, häufig in Verbindung mit einem Absenken von P_LIM. Mit der ATTI-Betriebsart wird V ._IN jedes Mal angewendet, wenn der Trachealdruck geringer als P_LIM ist, um den Bedarf des Patienten an Durchfluß zu erfüllen. Wir haben auch Perioden erkannt, in denen transtracheale Insufflation spontane Einatmungsbemühungen vollständig unterdrückt. Wenn dies eintritt, haben wir die Fähigkeit zur Steuerung von Beatmung mit einer dritten Betriebsart, PTTI, demonstriert, die eine Verzögerungszeit liefert, die den Lungen ermöglicht, sich durch die oberen Atemwege spontan zu entleeren. Nach einer verstrichenen Zeit oder nachdem P_TRACH ausreichend abnimmt, wird Insufflationsdurchfluß erneut angewendet und steigt der Trachealdruck entsprechend. Somit sind verschiedene Betriebsarten vorgesehen, die Beatmung unterstützen und steigern, indem sie Lungen anhand des transtrachealen Luftdurchlaufs aufblasen und Lungenentleerung durch die oberen Atemwege zulassen.
Wie hierin oben erläutert, wurden die gemeldeten Daten von den Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe gesammelt, die eine recht einzigartige Physiologie des oberen Atemwegs aufwiesen, die durch die Entwicklung eines positiven P_CRIT (der Atemweg ist geschlossen) während des Schlafs gekennzeichnet ist. Wenn der obere Atemweg geschlossen ist, wird die transtracheale Insufflation gemäß der Erfindung die Lungen aufweiten.

Claims

Vorrichtung, umfassend einen Katheter (3) zum Einführen in die Luftröhre eines Patienten, wobei der Katheter ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, ein Mittel (7, 8), das mit genanntem distalen Ende zur Zuführung von Atemgas zu dem Patienten durch den Katheter (3) verbunden ist, einen Drucksensor (9) zum Messen des Drucks in der Luftröhre des Patienten, wobei genanntes Mittel (7, 8) zur Zuführung zur Steuerung der Atemgaszuführung zu dem Katheter als Antwort auf den durch genannten Drucksensor (9) gemessenen Druck gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Verwendung bei der Behandlung von Schlafapnoe geeignet ist, daß der Katheter (3) eine derartige Größe und Gestalt aufweist, daß er in die Luftröhre eines menschlichen Patienten ohne Behinderung der Atemwege des Patienten, während Atemgas durch den Katheter (3) genanntem Patienten zugeführt wird, einführbar ist, genanntes Mittel (7, 8) zur Zuführung zur Zuführung von Atemgas mit einer ersten Rate V_IN durch den Katheter (3) zu genanntem Patienten, während der Gasdruck in der Luftröhre des Patienten, durch genannten Drucksensor (9) gemessen, unter einem vorab festgelegten Druckwert P_LIM ist, und zum Reduzieren oder Beenden der Atemgaszuführung zu genanntem Patienten über genannten Katheter (3), wenn der durch genannten Drucksensor (9) gemessene Gasdruck genannten vorab festgelegten Druckwert P_LIM erreicht oder überschreitet, gestaltet ist, wobei die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung genannter Beendigung oder Reduzierung der Atemgaszuführung entweder für eine voreingestellte Dauer oder, bis der durch genannten Sensor (9) gemessene Druck auf einen zweiten vorab festgelegten Druck P_TARGET unter genannten ersten vorab festgelegten Druck P_LIM abfällt, und danach zum Fortsetzen der Zuführung von genanntem Atemgas mit genannter erster Rate V_IN gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genanntes Mittel (7, 8) zur Zuführung zur Reduzierung der Rate der Zufuhr von Atemgas zu genanntem Patienten über genannten Katheter (3) auf einen Wert von 0 bis 20% von genannter erster vorab festgelegter Rate, wenn der durch genannten Drucksensor (9) gemessene Gasdruck genannten vorab festgelegten Druckwert P_LIM erreicht oder überschreitet, gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß genannte erste Rate V_IN eine vorab festgelegte konstante Rate ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß genannter erster Druck P_LIM von 1 bis 30 cmH₂O über einem weiteren Druck P_CRIT im Bereich von 0 cmH₂O bis 15 cmH₂O über Atmosphärendruck oder im Bereich von –5 cmH₂O bis 0 H₂O relativ zu Atmosphärendruck oder im Bereich von –10 bis –5 cmH₂O relativ zu Atmosphärendruck liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß genannte erste vorab festgelegte konstante Rate V_IN im Bereich von 4 bis 60 Liter pro Minute liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß genannte erste vorab festgelegte konstante Rate V_IN im Bereich von 8 bis 50 Liter pro Minute liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Fortsetzung von genannter Atemgaszufuhr nach einer vorab festgelegten Verzögerung nach genannter Beendigung gestaltet ist und daß genannte Verzögerung im Bereich von 0,5 bis 6 Sekunden liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Verzögerung im Bereich von 1–4 Sekunden liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Vorrichtung zur Fortsetzung von Atemgaszufuhr nach genannter Beendigung, wenn der Luftröhrendruck auf einen Wert P_Target im Bereich von 2 bis 40 cmH₂O unter genanntem vorab festgelegten Druck P_LIM abfällt, gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Druckwert P_target im Bereich von 3–15 cm H₂O unter genanntem vorab festgelegten Druck P_LIM liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Katheter (3) ein Luftröhrenkatheter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß genanntes Mittel zur Zuführung von genanntem Atemgas eine Quelle (8) von Atemgas, ein Ventil in Flüssigkeitsverbindung mit genannter Quelle und mit dem proximalen Ende des Katheters und eine Durchflußsteuereinrichtung (7) enthält, die Steuer/Logik-Schaltungen enthält, die mit genanntem Ventil zur Steuerung des Ventils und somit zur Steuerung des Durchflusses von Atemgas zum Katheter (3) in Wirkverbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Datenspeicher- und -wiedergewinnungssystem enthält, das mit genannter Durchflußsteuereinrichtung (7) und/oder genanntem Drucksensor (9) in Wirkverbindung steht und betreibbar ist, um Kurvenformen von dem Drucksensor (9) aufzuzeichnen und darauf zuzugreifen.