-
Die Erfindung betrifft Hochfrequenz-Jet-Ventilatoren für die
Zufuhr von Gas, um die Atmung beim Menschen zu erleichtern und
zu unterstützen.
Stand der Technik
-
Die EP-A-149 722 (=US-A-4 617 924) beschreibt eine Vorrichtung
für die künstliche Beatmung. Beatmungsgas wird durch eine Düse
in einer Gas Zufuhrvorrichtung zum Mund eines Patienten
zugeführt. An einer Seite der Zufuhrvorrichtung wird Spülgas
eingeleitet, und am anderen Ende der Zufuhrvorrichtung sind
ein CO&sub2;-Analysator und ein Strömungsmesser in eine
Ausgangsleitung geschaltet. Ein Hochfrequenz-Steuergerät
unterbricht die Zufuhr von Beatmungsgas und Spülgas für ein
Meßintervall, in dem ausgeatmetes Gas durch den Analysator
geleitet wird.
-
Es ist nachgewiesen, daß der Einsatz von Hochfrequenz-Jet-
Ventilation für die Behandlung von bestimmten Atembeschwerden
hilfreich ist. Bei der Hochfrequenz-Ventilation wird die
Ventilation durch Verbesserung der Massentransferprozesse in
den Lungen durch Hochfrequenzoszillation des zugeführten Gases
erreicht, anstatt Gas in größeren Mengen in die
Gasaustauschbereiche der Lungen zu bringen.
Die Erfindung
-
In einem erfindungsgemäßen Ventilator nach Anspruch 1 führt
eine Düse Hochgeschwindigkeitsgasimpulse in ein Mitreißmodul
entlang einer Kammer in Richtung eines Auslasses für den
Anschluß an den Hund eines Patienten ein. Dies ermöglicht es,
das nötige, sich hin- und her bewegende Volumen an Atemgas in
Verbindung mit einer hohen Pulsfrequenz zuzuführen, die die
Reaktionszeiten der für die Erzeugung der Gasimpulse
verwendeten Vorrichtung berücksichtigt. Zuverlässigkeit,
Einfachheit der Wartung, Sterilisierbarkeit und Portabilität
bzw. Anpassungsfähigkeit sind weitere mögliche Merkmale des
Ventilators. Die Ventilation bei supraphysiologischen
Frequenzen kann verbessert werden, und eine Belästigung des
Patienten sowie die Möglichkeit der Erzeugung oder
Verschlechterung von Traumata werden reduziert.
-
Das für gewöhnlich befeuchtete Atemgas steht unter relativ
geringem Druck und wird kontinuierlich von einer ersten
Gasquelle einer Einlaßöffnung zugeführt, um einen Grundstrom
bzw. beaufschlagten Strom zu bilden. Die Düse kann sich in die
Mitreißkammer in einer Richtung erstrecken, die im allgemeinen
axial mit einem Gasauslaß ausgerichtet ist. Die Düse steht in
fluidischer Verbindung mit einer Quelle von mit relativ hohem
Druck beaufschlagten Gasimpulsen und dient dazu, eine Folge
von druckbeaufschlagten Hochgeschwindigkeitsgasimpulsen in die
Mitreißkammer zu deren Durchquerung in einer im allgemeinen
axialen Richtung zum Patienten hin einzubringen. Der
Atemgaseinlaß und die Entlüftungsöffnung sind im allgemeinen
koaxial gegenüber der Mitreißkammer angeordnet. Im allgemeinen
wird ein Hochdruckimpuls während der Einatmungsphase von jedem
Zyklus des Ventilators eingebracht. Ein
Hochgeschwindigkeitsimpuls von der Düse reißt eine relativ
große Menge des Niederdruckgases aus dem beaufschlagten Strom
in der Mitreißkammer mit und erzeugt einen Inhalationsimpuls.
Während jeder Ausatmungsphase werden zwischen dem Einbringen
von aufeinanderfolgenden Impulsen von der Düse Gase in der
Mitreißkammer, einschließlich vom Patienten ausgeatmetes CO&sub2;,
das in die Kammer über den Zufuhrauslaß fließt, durch die
Entlüftungsöffnung ausgeschieden.
-
Die Innenform der Impulszufuhrdüse ist entweder als
konvergierende oder als eingezogene Düse ausgebildet, um die
Menge an Gas aus dem beaufschlagten Strom zu erhöhen, die
mitgerissen wird.
-
Eine Leitung verbindet die Quelle von Hochdruck-
Ventilationsgas mit der Düse. Ein Ventil ist in diese Leitung
geschaltet, um den Druckgasstrom wahlweise zu unterbrechen und
die Hochdruckgasimpulse zu erzeugen. Das Ventil wird von einem
Solenoid betätigt, das das Ventil von einer geschlossenen in
eine völlig offene Position bringt. Eine elektronische
Steuerschaltung stellt Signale bereit, die den Betrieb des
Solenoids steuern. Diese Steuersignale besitzen eine Frequenz,
eine Impulsbreite und eine Betriebsart, die so gewählt werden
können, daß das optimale Ventilationsprogramm für den zu
behandelnden Patienten bereitgestellt wird. Die Steuersignale
haben im allgemeinen eine Stufenwellenform, die eine
anfängliche Übersteuerungs- oder Overdrive-Spannung mit
festgelegter Länge aufweist. Die Übersteuerungsspannung
bewirkt, daß die vom Solenoid für den Wechsel des
Schaltzustands des Ventils benötigte Zeit reduziert wird,
wobei die vom Ventil benötigte Zeit zum Umschalten vom
vollständig geschlossenen in den vollständig geöffneten
Zustand minimiert wird.
-
Das Mitreißen besteht darin, daß der beaufschlagte Strom dem
Einfluß von Hochgeschwindigkeitsimpulsen von aus einer
Hochdruckquelle von Mitreißgas eingeleitetem Gas ausgesetzt
wird. Das Mitreißgas kann gesteuert werden, um die Frequenz,
die Dauer und die Breite der Gasimpulse zu verändern, um den
Anforderungen der gerade ausgeführten Behandlung zu genügen.
Mittel zum periodischen Unterbrechen des Primärgasstroms
können in Form eines normalerweise geschlossenen, von einem
Solenoid betätigten Ventil vorgesehen sein. Solenoid-
Steuerspannungsimpulse mit ersten und zweiten
Spannungsgrößenniveaus (V&sub1;, V&sub3;) können erzeugt werden. Diese
Spannungsniveaus können eine Anfangsgröße besitzen, die größer
ist als die Nennspannung des Solenoids und eine zweite
benachbarte Größe, die kleiner als die Nennspannung und
ausreichend groß ist, um das Solenoid in aktiviertem Zustand
zu halten. Die Spannungsimpulse werden auf das Ventil-Solenoid
gegeben, um die Erzeugung von Gasimpulsen zu verursachen.
-
Die Frequenz oder die Betriebsart der Impulse können als
Funktion der benötigten Therapie verändert werden. Die Breite
der Impulse kann ebenso als Funktion der benötigten Therapie
verändert werden.
Zeichnungen
-
Fig. 1 zeigt ein funktionales Blockdiagramm eines
erfindungsgemäßen Vielfrequenz-Jet-Ventilators;
-
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte teilweise Schnittansicht einer
bevorzugten Ausführungsform eines Mitreißmoduls des
Vielfrequenz-Jet-Ventilators von Fig. 1;
-
Fig. 3 ist ein funktionales Blockdiagramm des Steuermoduls des
Vielfrequenz-Jet-Ventilators von Fig. 1;
-
Fig. 4a, 4b und 4c sind graphische Darstellungen von
Gasimpulsfolgen, die dem Mitreißmodul von Fig. 2 als Reaktion
auf die vom Steuermodul der Fig. 3 erzeugten Steuersignale
zugeführt werden; und
-
Fig. 5 stellt ein Wellenformdiagramm einer durch das
Steuermodul von Fig. 3 erzeugten Steuerspannung dar.
Beste Ausführungsform
-
Gemäß den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen jeweils
gleiche Teile in den Figuren bezeichnen, kann ein Ventilator
10 (Fig. 1) wahlweise bei herkömmlichen Beatmungsfrequenzen
eingesetzt oder als Hochfrequenz-Jet-Ventilator benutzt
werden. Der Ventilator 10 besitzt vorzugsweise einen Bereich
von Betriebsfrequenzen von 4 Atemzügen/Minute (1/15 Hz) bis
3000 Atemzüge/Minute (50 Hz) und eine Einsaugzeit, d. h., eine
Betriebsart im Bereich von 5% bis 95%, wie nachstehend
ausführlich beschrieben wird. Der Ventilator 10 versorgt einen
Patienten über einen endotrachealen Schlauch (nicht gezeigt)
mit oder ohne Manschette mit Atemgas und kann an die
Ventilation mit Luft, Luft/Sauerstoff, Helium/Sauerstoff oder
ein anderes geeignetes Gas oder eine Kombination von Gasen
angepaßt werden. Der Ventilator 10 besitzt eine kompakte,
leichtgewichtige Bauweise und kann entweder batterie- oder
netzstrombetrieben sein.
-
Der Ventilator 10 ist ein integriertes modulares System, das
im allgemeinen eine Steuereinheit 12, eine Hochdruckgas-
Zufuhreinheit 14, eine Niederdruckgas-Zufuhreinheit 15 und ein
Mitreißmodul 16 aufweist. Die Steuereinheit 12 enthält die
elektronischen Steuerungen, ein Sicherheitssystem und die
elektrische Energieversorgung für den Ventilator. Die
Hochdruckgas-Zufuhreinheit 14 weist eine Hochdruckgasquelle,
ein Gasdruckregelsystem und eine Ventil-Untergruppe auf, um
gesteuerte Impulse des aus der Hochdruckquelle entnommenen
Gases zu erzeugen. Die Niederdruckgas-Zufuhreinheit 15 enthält
eine Niederdruckgasquelle und ein Befeuchtungssystem für das
Gas. Das Mitreißmodul 16 erzeugt aus den Impulsen von
Hochdruckgas und dem befeuchteten Niederdruckgas den
benötigten Ausstoß des Ventilators. Die Gasströmungslinien
sind durch dicke Linien und die elektrischen Verbindungen
durch dünne Linien in Fig. 1 bezeichnet. Die Steuereinheit 12
ist über herkömmliche elektrische Verbindungen mit der
Zufuhreinheit 14 verbunden. Die Gas-Zufuhreinheiten 14 und 15
sowie das Mitreißmodul 16 sind durch flexible
Standardschläuche miteinander verbunden. Die vorstehend
genannten modularen Einheiten und deren Untereinheiten können
leicht verbunden und wieder voneinander getrennt werden. Der
modulare Aufbau erleichtert somit die Wartung des Ventilators
und stellt auch einen Ventilator bereit, der im benötigten
Umfang einfach desinfiziert und sterilisiert werden kann, wie
aus der nachfolgenden Erläuterung im einzelnen hervorgeht.
-
Gemäß Fig. 1 weist die Steuereinheit 12 ein elektronisches
Steuermodul 20 auf, das Steuerimpulse zum Betrieb eines
solenoidbetätigten Ventils 22 in der Zufuhreinheit 14 erzeugt.
Das Steuermodul 20 stellt auch Eingangssignale für ein
elektronisches Sicherheitsmodul 24 bereit. Das
Sicherheitsmodul 24 steuert in nachstehend beschriebener Weise
ein elektronisch betätigtes Absperrventil 26 in der Primär-,
das heißt, Hochdruck-Gaszufuhrleitung und ist des weiteren mit
einem Alarmsystem 28 verbunden.
-
Eine Druckgasquelle 30, die typischerweise aus mehreren,
komprimierte trockene Luft, Sauerstoff/Stickstoff oder
Sauerstoff/Helium enthaltenden Tanks besteht, ist über das
Absperrventil 26 und einen einstellbaren Druckregler 32 mit
einem Druckspeicher 34 verbunden. Das an der Auslaßöffnung des
Druckspeichers 34 auftretende Druckgas hat einen geregelten,
im wesentlichen konstanten Druck im Bereich zwischen 34485
Pascal und 1724250 Pascal (5 psi bis 250 psi). Das Druckgas
strömt vom Druckspeicher 34 über einen Strömungsmesser 36 und
ein Ventil 22 zum Mitreißmodul 16. Der Strömungsmesser 36
leitet ein Eingangssignal mit Informationen an das
Sicherheitsmodul 24, wobei die Art des Gasstroms von der
Hochdruckquelle 30 zum Mitreißmodul 16 ständig überwacht
werden kann, um ein Mittel für die Auslösung des Alarms 28 für
den Fall bereitzustellen, daß sich der vorstehend genannte
Gasstrom nicht innerhalb der ausgewählten und benötigten
Betriebsgrenzen des Ventilators befindet. Der Alarm 28 ist
vorzugsweise sowohl ein hörbarer als auch ein sichtbarer
Alarm. Das Sicherheitsmodul 24, das vorzugsweise ein
Mikroprozessor ist, wird programmiert, um den Betrieb des
Ventilators zu überwachen, insbesondere den Primärgasstrom zum
Mitreißmodul und den Druck in Strömungsrichtung gesehen
unterhalb des Mitreißmoduls, um zu bestimmen, ob sich die
Betriebsparameter innerhalb der festgelegten Bereiche bewegen.
Sollte sich ein überwachter Parameter in einen für den
Patienten nicht mehr sicheren Bereich bewegen, gibt das Modul
24 den Steuerbefehl zum Schließen des Absperrventils 26.
-
Eine Sekundärdruckgasquelle 42 in der Einheit 15 ist über ein
Absperrventil 44 an einen Befeuchter 46 angeschlossen. Aus dem
Befeuchter 46 kommt ein beaufschlagter Strom von geheiztem
befeuchtetem Gas, das dem Mitreißmodul 16 bei relativ geringem
Druck zugeführt wird, das heißt, gerade über Atmosphärendruck
oder leicht darüber, wie 34485 Pascal (5 psi). Die
Sekundärgasquelle 42 besteht typischerweise aus einem oder
mehreren Tanks, die das gleiche Gas enthalten, wie das von
der "Hoch"-Druckquelle 30 gelieferte Gas. Der Befeuchter 46
kann ein Kaskaden-Blasenbefeuchter (cascade bubble humidifier)
oder vorzugsweise ein Dampfphasenbefeuchter (vapour phase
humidifier) sein und bewirkt, daß der beaufschlagte Strom ca.
100% relative Luftfeuchtigkeit besitzt. Der Druck des
beaufschlagten Stroms kann in Abhängigkeit vom Grad der
Befeuchtung und der Art der Befeuchtung variieren. Zusätzlich
kann ein Ultraschall-Zerstäuber 47 verwendet werden, um einen
Nebel in den beaufschlagten Strom von befeuchtetem Gas
einzubringen. Der Strom von befeuchtetem Gas mit dem Nebel,
der mit niedriger Geschwindigkeit fließt, wird im Modul 16
durch in nachstehend zu beschreibender Weise erzeugte
Hochgeschwindigkeits-Gasimpulse mitgerissen, um einen
Ausgangsgasstrom zu bilden. Wie vorstehend erwähnt, wird der
Ausgangsstrom dem Patienten über einen endotrachealen Schlauch
(nicht vollständig gezeigt) zugeführt. Das Mitreißmodul 16
dient auch der Aufnahme von vom Patienten ausgeatmeten Gasen.
In Abhängigkeit vom Schaltzustand eines
2-Wege-Strömungssteuerventils 48 wird das ausgeatmete Gas entweder in
die Umgebungsatmosphäre geblasen oder an eine
Rückgewinnungseinheit 49 geliefert. Ein Drucksensor 50 kann in
den sich vom Mitreißmodul zum endotrachealen Schlauch
erstreckenden Gasweg geschaltet sein, um dem Druck in
Strömungsrichtung gesehen unmittelbar oberhalb des
endotrachealen Schlauchs zu messen und ein entsprechendes
Eingangssignal für das Sicherheitsmodul 24 bereitzustellen, um
einen sicheren Betrieb des Ventilators zu gewährleisten.
-
Insbesondere gemäß Fig. 2 weist das Mitreißmodul 16 ein
Gehäuse 51 auf, das eine Mitreißkammer 52 bildet. Das Gehäuse
51 ist im allgemeinen ein T-förmiges zylindrisches Teil, das
ein offenes Ausgangsende besitzt. Ein Anschlußstück 54 am
Ausgangsende verbindet die Kammer 52 fluidisch mit einer
Leitung 56, die zum Ende des endotrachealen Schlauchs führt
oder dieses umfaßt. Gasimpulse, die durch Modulation des den
Druckspeicher 34 verlassenden Gases mittels Ventil 22 erzeugt
werden, werden durch eine Düse 58 in die Mitreißkammer 52
eingebracht. Die Düse 58 ist eine konvergierende oder eine
eingezogene Düse, und deshalb ist die Geschwindigkeit des
Gases in Strömungsrichtung nach dem Düsenhals hoch. Die Düse
58 erstreckt sich durch eine Abschlußwand des Gehäuses 51
entlang der Mittenachse der Kammer axial in die Kammer 52. Die
Düse 58 ist aerodynamisch geformt, um das Mitreißen durch
Führung des beaufschlagten Stroms mit niedrigem Druck in
Strömungsrichtung abwärts in die Kammer 52 zu verbessern. Die
Düse 58 besitzt somit vorzugsweise ein nach vorn konisch
zulaufendes, konvergierendes Außenprofil 60. Ein
Einlaßschenkel 62 und ein Auslaßschenkel 64 stehen radial an
diametral gegenüberliegenden Stellen des Gehäuses 51 vor. Die
Schenkel 62 und 64 sind im wesentlichen identisch und gleich
von der zentral angeordneten Düse 58 beabstandet. Der
Einlaßschenkel 62 dient als Anschlußteil zum Ankuppeln einer
Leitung für die Zufuhr des beaufschlagten Stroms niedriger
Geschwindigkeit von befeuchtetem Gas zur Mitreißkammer 52 über
Öffnung 66, wie durch Pfeile in Fig. 2 dargestellt ist. Das
befeuchtete Gas wird der Mitreißkammer kontinuierlich
zugeführt. Während einer Einsaugphase des Ventilationszyklus
(das heißt Einatmen) wird befeuchtetes Gas durch einen über
die Düse 58 in die Kammer 52 eingebrachten
Hochgeschwindigkeits-Gasimpuls mitgerissen, axial durch die
Kammer zur Leitung 56 und anschließend über den endotrachealen
Schlauch zum Patienten vorwärtsgetrieben. Die zum Patienten
gelieferten Ventilationsgasimpulse bestehen in erster Linie
aus über den Einlaßschenkel 62 zugeführtem befeuchtetem Gas,
wobei das befeuchtete Gas durch die über die Düse 58
zugeführten Trockengasimpulse mitgerissen wird. Der Patient
empfängt entsprechend Gas mit der höchstmöglichen relativen
Luftfeuchtigkeit.
-
Während der Ausatmungsphase des Ventilationszyklus kehrt das
vom Patienten ausgeatmete Gas über die Leitung 56 zur
Mitreißkammer 52 zurück. Das ausgeatmete Gas wird durch den
beaufschlagten Strom mit niedriger Geschwindigkeit mitgerissen
und dann durch die Ausströmöffnung 68 abgegeben, die zum
Auslaßschenkel 64 führt. Der Schenkel 64 ist mit einer Leitung
für den Transport des ausgeatmeten Gases und des
überschüssigen befeuchteten Gases zum Ventil 48 verbunden. Das
vom Patienten ausgeatmete Kohlendioxid wird durch die Öffnung
68 teilweise aufgrund der Antriebskraft des beaufschlagten
Stroms von befeuchtetem Gas abgegeben, die verhindert, daß die
ausgeatmeten Gase in die Öffnung 66 eindringen.
-
Das Mitreißen des befeuchteten Gases durch die
Hochgeschwindigkeitsimpulse oder Druckwellen von Primärgas
wird durch die konvergierende äußere Form der Düse 58
erleichtert, die, wie vorstehend beschrieben, als
strömungssteuernde Oberfläche wirkt. Das Mitreißen des
befeuchteten Gases wird durch die Anordnung der Ausgangsöffnung
60 der Düse 58 an einer axialen Stelle der Kammer verbessert,
die nahe dem axialen Endpunkt der Abwärtsströmung durch die
Einlaßöffnung 66 ist. Folglich wird der
Hochgeschwindigkeitsimpuls an einer Stelle in die Kammer
eingeführt, die leicht in Strömungsrichtung gesehen abwärts
vom Eintritt des befeuchteten Gases liegt. Wie nun klar sein
dürfte, dient die kontinuierliche Zufuhr von befeuchtetem
Sekundärgas unter niedrigem Druck zum abwechselnden Zuführen
von befeuchtetem Gas zum Hitreißen und zum Entfernen des
ausgeatmeten Kohlendioxids aus der Ventilatoreinheit ohne
Verwendung von mechanischen Ventilen, die sonst dazu neigen,
die Mitreißeffekte zu beeinträchtigen, und somit zu einem
niedrigeren hin- und herbewegten Volumen führen würden.
-
Ein relativ starrer Schlauch verbindet die Düse 58 mit dem
durch das Solenoid betätigten Steuerventil 22. Das Ventil 22
ist ein Ventil mit zwei Schaltzuständen, das eine offene und
eine geschlossene Position besitzt. Das Ventil kann von der
Art sein, die normalerweise geschlossen ist. Die durch das
Steuermodul 20 erzeugten und dem Solenoid des Ventils 22
zugeleiteten Steuersignale bestimmen die Frequenz und die
Dauer der an die Düse 58 gelieferten Gasimpulse. Folglich wird
Ventil 22 für ausgewählte Zeitintervalle zyklisch geöffnet und
geschlossen, um den Strom an Druckgas zur Düse zu unterbrechen
und dadurch die gewünschten Gasimpulsfolge-Charakteristika zu
erzeugen, um eine optimale Behandlung für den Patienten
sicherzustellen.
-
Die Charakteristika der durch das Ventil 22 erzeugten
Druckgasimpulse können am besten aus den Fig. 4a, 4b und 4c
ersehen werden. Die horizontalen Achsen stellen die Zeit in
Millisekunden dar, und die vertikalen Achsen stellen die
Durchflußgeschwindigkeit des aus der Düse 58 austretenden
Hochgeschwindigkeits-Ventilationsgases dar. Der Buchstabe T
bezeichnet die Zeit eines Ventilationszyklus, das heißt, die
Zeit einer Einatmungsphase plus die Zeit einer anschließenden
Ausatmungsphase. Das Symbol t&sub1; stellt das Zeitintervall dar,
während dem das Ventil 22 offen ist. In jedem der Graphen von
Fig. 4 beträgt die Zeitspanne in der das Ventil 22 geöffnet
ist, das heißt, die Einatmungszeit, 30% des Ventilationszyklus
T. Der Graph der Fig. 4a stellt die
Impulsfolge-Charakteristika dar, wenn das Ventil 22 mit einer Frequenz von
5 Hz geöffnet und geschlossen wird. Graph 4b stellt die
Impuls-Charakteristika dar, wenn das Ventil 22 mit einer
Frequenz von 10 Hz geöffnet und geschlossen wird. Fig. 4c
stellt die Impuls-Charakteristika dar, wenn das Ventil 22 mit
einer Frequenz von 20 Hz geöffnet und geschlossen wird.
-
Das Volumen von durch das Ventil pro Atemzug zugeführtem Gas
ist gleich der Fläche unter der Durchflußgeschwindigkeit-Zeit-
Kurve der Graphen von Fig. 4. Die durchgezogenen Linien
stellen die Fluß-Charakteristika für den Ventilator 10 dar.
Die gestrichelten Linien stellen die Strömungs-Charakteristika
für einen Ventilator dar, der keine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Reduzieren der vom Ventil für den Wechsel der
Schaltzustände benötigten Zeit enthält. Es wird klar, daß die
gezeichneten Kurven aufgrund des vom Ventil 22 für den Wechsel
von einem Schaltzustand zum anderen, das heißt, von einem
vollständig geschlossenen zu einem vollständig offenen Zustand
und umgekehrt, benötigten inkrementalen Zeitintervalls eine
Trapezform und keine Rechteckwellenform besitzen. Im Stand der
Technik stand bei hohen Impulsfrequenzen nicht genügend Zeit
für das Ventil zur Verfügung, um sich vollständig zu Öffnen,
bevor es einen "Schließen"-Befehl erhielt. Demzufolge ergab
sich das durch die gestrichelten Linien von Fig. 4c angegebene
dreieckige Strömungsmuster. Ein Strömungsmuster, wie es durch
die gestrichelte Linie gemäß Fig. 4c angegeben ist, führt zu
einer drastischen Reduzierung des sich hin- und herbewegenden
Volumens, das heißt, des Volumens an dem Patienten zugeführtem
Gas während der Einatmungsphase. Folglich muß das Ventil dazu
veranlaßt werden, schnell auf "Öffnen"-Befehle zu reagieren,
und es sollte einen beträchtlichen Teil der Einatmungsphase
offen bleiben, damit genügend große sich hin- und herbewegende
Volumina bei hohen Ventilationsfrequenzen zugeführt werden.
-
Gemäß Fig. 3 wird das Ventil 22 mittels eines Solenoids 70
geöffnet und geschlossen, das auf durch das Steuermodul 20
erzeugte Steuersignale anspricht. Das Steuermodul 20 weist
einen Rechteckwellengenerator 72 auf. Ein RC-Glied 73 ist in
herkömmlicher Weise einstellbar, um die Zeitkonstante und
damit die Ausgangsfrequenz des Rechteckwellengenerators 72 zu
variieren. Das Rechteckwellen-Ausgangssignal des Generators 72
wird aufeine Taktgeberschaltung 74 gegeben. Gemäß den Fig. 3
und 5 sind eine einstellbare Spannungsgrößen-Wahlschaltung und
eine einstellbare Betriebsarten-Wahlschaltung mit dem
Taktgeber 74 verbunden, um den Taktgeber zu veranlassen, eine
Ausgangswellenform mit einer ausgewählten Amplitude (Spannung
V&sub1;), einer Impulsbreite (Zeit t&sub1;) und einer Frequenz f
bereitzustellen. Die Spannung V&sub1; wird so gewählt, daß sie die
minimale Solenoidhaltespannung ist, die für das Halten des
Ventils 22 in der geöffneten Position benötigt wird. Diese
Spannung ist typischerweise niedriger als die Spannung, die
nötig ist, um das Solenoid zu veranlassen, das Ventil zu
öffnen. Die Verwendung einer niedrigen Spannung zum
Offenhalten des Ventils reduziert die Schließzeit für das
Ventil. Die Schließzeit wird durch eine kurzzeitige starke
negative Spannungsspitze -V&sub2; weiter reduziert, die am Ende der
Einatmungsphase des Zyklus durch Abkoppeln der
Ausgangsspannung des Taktgebers 74 vom Ventil-Solenoid erzeugt
wird. Die Zeit t&sub1; wird so gewählt, daß die optimale
Einatmungszeit pro Ventilationszyklus erreicht wird. Die
Frequenz f wird so gewählt, daß die optimale
Ventilationsfrequenz in Abhängigkeit vom Zustand des Patienten
erreicht wird. Die Rechteckwelle von Schaltung 72 wird des
weiteren auf eine Übersteuerungs-Taktgeberschaltung (overdrive
timer circuit) 76 gegeben. Die Übersteuerungs-
Taktgeberschaltung ist ebenfalls einstellbar, um eine zweite
Wellenform mit einer zweiten Amplitude (Spannung V&sub3;-V&sub1;) und
einer zweiten Impulsbreite (Zeit t&sub2;) mit der gleichen Frequenz
f wie die durch den Taktgeber 74 bereitgestellte Wellenform
und dazu in Phase zu erzeugen. Die Spannung V&sub3;-V&sub1; und die Zeit
t&sub2; werden derart gewählt, daß die Ventilöffnungszeit reduziert
wird, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Die zwei
Wellenformen werden kombiniert, wie schematisch durch die
Summierschaltung 77 dargestellt ist, und auf das Solenoid 70
gegeben. Die auf das Solenoid 70 gegebene Wellenform ist in
Fig. 5 dargestellt. Die Periode einer Öffnungs- und
Schließphase eines Zyklus des Ventils 22 und damit des
Ventilationszyklus ist durch die Zeit T gegeben. Durch Anlegen
der Übersteuerungsspannung V&sub3;-V&sub1; an das Solenoid wird eine
größere elektromagnetische Kraft erzeugt, und die Öffnungszeit
des Ventils wird beträchtlich reduziert, da die
Übersteuerungsspannung eine Amplitude besitzt, die mindestens
dreimal so groß wie die Haltespannung V&sub1; ist. Somit werden die
vom Ventilator bei hohen Frequenzen erzeugten sich hin- und
herbewegenden Volumina durch die vom Ventil zum Ändern seines
Schaltzustands benötigte Zeit nicht wesentlich reduziert. Wie
vorstehend angemerkt, stellen die gestrichelten Linien in den
Graphen der Fig. 4 im allgemeinen die Impuls-Charakteristika
ohne Anwendung der Übersteuerungsspannung auf das Solenoid
dar, und die durchgezogenen Linien stellen die Impuls-
Charakteristika des Ventilators dar, wenn die vorstehend
beschriebene Übersteuerungsspannung vom Steuermodul eingesetzt
wird.
-
Der Ventilator 10 wird durch Auswahl von optimaler Frequenz
und Betriebsart für den Zustand des Patienten, das heißt, des
Verhältnisses von Einatmungszeit zur Ventilationszykluszeit,
betrieben. Das dem Patienten zugeführte Volumen von sich hin-
und herbewegendem Ventilationsgas ist eine Funktion der
Impulsfrequenz und -dauer sowie des Gasdrucks. Der Druckregler
32 regelt den Druck in herkömmlicher Weise. Das Steuermodul
dient zur elektronischen Steuerung des Ventils 22, um die
optimalen Ventilations-Charakteristika bereitzustellen. Diese
Charakteristika können sich über die Behandlungsdauer ändern,
und der erfindungsgemäße Ventilator kann manuell oder
automatisch in Übereinstimmung mit den wechselnden
Anforderungen des Patienten neu eingestellt werden. Im
tatsächlichen Betrieb können die Steuer- und Sicherheitsmodule
eine einzige Untereinheit mit einem programmierbaren
Mikroprozessor sein, und die Art des Betriebs kann von einer
Tastatur eingegeben und/oder aus vorprogrammierten Daten
ausgewählt werden. Da die Variation der Ventilationsparameter
ohne Trennen des Patienten vom Ventilator ausgeführt werden
kann, wird ein Trauma vermieden, das sonst auftreten könnte.
Es ist anzumerken, daß die Sterilisierung und Wartung der
Einheit relativ einfach ausgeführt werden können, da der
Ventilator eine modulare Bauweise besitzt. Das Mitreißmodul 16
besitzt keine sich bewegenden Komponenten und kann somit
einfach zur Sterilisierung und/oder zum Ersetzen vom
Ventilator abgetrennt werden. Der beaufschlagte Strom kann
zumindest als Mittel, und in Abhängigkeit von den Umständen
ca. dreimal soviel wie das durch die Düse gepulste Gas, dazu
dienen, eine beträchtliche Verdünnung des gepulsten Gasstroms
zu erreichen.
-
Die vorliegende Erfindung hat die Flexibilität, insbesondere
über einen weiten Bereich einstellbare Betriebsparameter, die
ihre Verwendung im synchronen intermittierenden
Zwangsventilationsmodus (synchronous intermittent mandatory
ventilation (IMV) mode) gestattet. Der IMV-Modus wird über das
mikroprozessorgestützte Steuermodul 20 gewählt, wenn gewünscht
wird, zu versuchen, den Patienten vom Ventilator zu entwöhnen.
Im IMV-Modus wird ein Impuls bei einer Frequenz, die niedriger
als die normale Atemfrequenz ist, durch eine Uhr im
Mikroprozessor bereitgestellt, um die Erzeugung eines
Steuersignals für das Solenoid des Ventils 22 zu triggern. Ein
Sensor 80, der ein Drucksensor im endotrachealen Schlauch sein
kann, nimmt spontanes Atmen des Patienten wahr und liefert im
Einklang damit Signale, die in das Steuermodul 20 eingegeben
werden. Das Ventil 22 wird sich mit der gewählten Frequenz
öffnen, außer in den Fällen, bei denen eine spontane Ausatmung
wahrgenommen wird, wobei in diesem Fall die Öffnung des
Ventils bis zum Ende des Ausatmens verzögert und die Uhr auf
Null zurückgesetzt wird. Die Flexibilität der Erfindung
erlaubt einen weiten Bereich von Ventilationsfrequenzen von
supraphysiologischen bis zu natürlichen Atemfrequenzen, ohne
zusätzliche Schaltungen für niederfrequentes Atmen zu
benötigen.
-
Die vorliegende Erfindung kann durch Entfernen des
Mitreißmoduls 16 und der Niederdruckgas-Zufuhreinheit 15 im
Fall einer transcutanen Cricothyroidalostomie eingesetzt
werden. In Notfallsituationen, beispielsweise unter
Schlachtfeldbedingungen oder im Fall von Sanitätern an einem
Unfallort, kann ein Patient mit Atmungsschwierigkeiten nicht
mit einem endotrachealen Schlauch versehen werden. Das
bedeutet, das genaue Einführen eines endotrachealen Schlauchs
kann ca. eine halbe Stunde erfordern, setzt gute Beleuchtung
voraus und erfordert sehr gut geschultes medizinisches
Personal. Die vorliegende Erfindung kann in der folgenden
Weise von Sanitätern mit entferntem Mitreißmodul, jedoch mit
einer der Düse 58 ähnlichen Düse, die beibehalten wird,
eingesetzt werden. Eine Nadel mit angeschlossenem Katheter
wird in die Luftröhre eingeführt, dann die Nadel zurückgezogen
und schließlich die Düse über den Katheter in die Luftröhre
eingeführt. Dann kann mit der Jet-Ventilation begonnen werden,
wobei das Ausatmen über den Mund und/oder die Nase des
Patienten erfolgt.