Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Atemgases unter Überdruck mit einer
Gebläseeinrichtung zur Förderung des Atemgases entlang eines Atemgasförderweges von
einem Atemgasansaugbereich zu einem Atemgasausgangsbereich.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art finden insbesondere Anwendung bei der Therapie
von schlafbezogenen Atmungsstörungen. Abweichend von den im allgemeinen nur kurzzeitig
beispielsweise zur Zufuhr eines Anästhesiegases im Krankenhaus - insbesondere im OP-
Bereich - verwendeten Beatmungsgeräten, wird bei Schlaftherapie-Beatmungsgeräten
angestrebt, das Atemgas in einer Weise zuzuführen, die seitens des Patienten als angenehm
empfunden wird und dessen natürliches Schlafverhalten in möglichst geringem Maß beein
trächtigt und sich zudem unter physiologischen Gesichtspunkten als hinreichend verträglich
erweist. Unter den genannten, auch als CPAP-Geräte bekannten Atemgaszufuhrvorrichtungen
finden sich auch Geräte, bei welchen der Beatmungsdruck während einer Expirationsphase
des Patienten abgesenkt und während einer sich zyklisch anschließenden Inspirationsphase auf
einen vorgegebenen Druckpegel erhöht wird. Bei derartigen Geräten wird der erforderliche
Überdruck üblicherweise mittels einer Gebläseeinrichtung erzeugt, wobei die Steuerung des
Atemgasdruckes durch Änderung der Drehzahl der Gebläseeinrichtung erreicht wird. Diese
Gebläseeinrichtung ist üblicherweise in einem mit Schall absorbierenden Elementen ausge
kleideten Gehäuse aufgenommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu
schaffen, die eine unter physiologischen Gesichtspunkten noch günstigere Durchführung einer
Überdruckbeatmung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Atemgases
unter Überdruck mit einem Außengehäuse, einer darin aufgenommenen Gebläseeinrichtung
zur Förderung des Atemgases entlang eines Atemgasförderweges von einem Atemgasansaug
bereich zu einem Atemgasausgangsbereich gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß eine
Schallquelle vorgesehen ist zur Erzeugung eines Schallereignisses, das die seitens der Gebläse
einrichtung erzeugten Schallereignisse zumindest teilweise auslöscht.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die während der Atemgaszufuhr auftreten
den Geräusche auf einen seitens des Patienten kaum noch wahrnehmbaren Geräuschpegel
abzusenken. Hierdurch wird das natürliche Schlafverhalten des Patienten durch die Beat
mungsvorrichtung in deutlich vermindertem Maße beeinträchtigt.
Gem. einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuereinrichtung
vorgesehen, zur Steuerung der Schallquelle derart, daß diese ein Schallereignis mit einem
vorbestimmten zeitlichen Verlauf erzeugt. Der zeitliche Verlauf des durch die Schallquelle
gesteuert erzeugten Schallereignisses ist vorzugsweise derart abgestimmt, daß zumindest im
hörbaren Bereich eine weitgehende Extinktion der durch die Gebläseeinrichtung erzeugten
Geräusche erreicht wird. Die Ermittlung eines geeigneten zeitlichen Verlaufs des durch die
Schallquelle erzeugten Schallereignisses erfolgt vorzugsweise unter Abarbeitung eines adapti
ven Regelalgorithmus. In diesem adaptiven Regelalgorithmus werden vorzugsweise permanent
vorhandene Grundschwingungen sowie vom momentanen Betriebszustand abhängige
Schwingungsformen adaptiv berücksichtigt.
Eine besonders günstige Ermittlung geeigneter Extinktions-Schallereignisse wird gem. einer
bevorzugten Ausführung der Erfindung dadurch erreicht, daß eine Schalldetektionseinrichtung
vorgesehen ist, zur Erfassung der momentanen Schallereignisse, wobei diese Schalldetektions
einrichtung mit der Steuereinrichtung operativ verbunden ist. Diese Schalldetektionseinrich
tung kann auf vorteilhafte Weise durch ein Mikrophon verwirklicht werden, das in Schallaus
breitungsrichtung vor der zur Erzeugung des Extinktionsschallsignales vorgesehenen
Schallquelle angeordnet ist.
Alternativ dazu oder auch in Kombination hiermit ist es möglich, eine Schalldetektions
einrichtung - insbesondere ein Mikrophon - in Schallausbreitungsrichtung nach der Schall
quelle anzuordnen. Anhand des in Schallausbreitungsrichtung nach der Schallquelle angeordneten
Mikrophons kann auf vorteilhafte Weise der Schallauslöschungsgrad sowie der Verlauf
des Restschallsignales ermittelt werden.
Gem. einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schallquelle im
Inneren des Außengehäuses aufgenommen. Hierbei ist die Schallquelle vorzugsweise im
Bereich der höchsten Schallintensität im Inneren des Beatmungsgerätes angeordnet. Das
durch die Schallquelle erzeugte Schallereignis wird gem. einer besonders bevorzugten Ausfüh
rungsform unmittelbar in den Atemgasförderweg eingekoppelt. Dadurch wird es auf vorteil
hafte Weise möglich, die Schallausbreitung insbesondere über den Atemgasschlauch zu
unterdrücken.
Die zur Steuerung der Extinktions-Schallquelle vorgesehene Steuereinrichtung ist gem. einer
besonders bevorzugten Ausführungsform mit einer Detektionseinrichtung gekoppelt zur Erfas
sung des momentanen Betriebszustandes der Gebläseeinrichtung. Dadurch wird es auf vorteil
hafte Weise möglich, in Echtzeit ein vergleichsweise exakt abgestimmtes Extinktions-Schall
signal zu erzeugen. Über diese Detektionseinrichtung können beispielsweise die Drehzahl, der
Motorstrom, die Motorspannung oder auch die Motorvibration erfaßt werden, wobei auf
Grundlage dieser ermittelten Betriebsparameter beispielsweise aus einem gespeicherten Kenn
feld die signifikanten Parameter für das Extinktionsschallereignis ermittelt werden können.
Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise eine zuverlässige Extinktion der Schallereignisse hoher
Schallintensität möglich.
Eine im Hinblick auf eine besonders hochwertige Schallextinktion vorteilhafte Ausführungs
form der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die Steuereinrichtung die Phasenlage des Ex
tinktionsschallsignales in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Atemgases
entlang des Atemgasförderweges einstellt. Die Phasenlage des Extinktionsschallsignales wird
hierbei permanent derart eingestellt, daß sich eine Phasenverschiebung im Bereich von λ/2
ergibt.
Eine besonders robuste und zuverlässige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich
tung ist dadurch gegeben, daß die Schallquelle wenigstens eine piezoelektrisch betätigte
Schalleinkoppelungsfläche aufweist. Diese Schalleinkoppelungsfläche ist vorzugsweise derart
angeordnet, daß die Ausbreitungsrichtung des Schallereignisses im wesentlichen parallel zur
Strömungsrichtung in dem entsprechenden Abschnitt des Atemgasförderweges verläuft.
Hierbei ist es möglich, das Schallereignis derart in das Atemgas einzukoppeln, daß sich das
Schallereignis entlang der momentanen Strömungsrichtung ausbreitet. Es ist auch möglich, die
Schallquelle derart anzuordnen, daß sich das Schallereignis entgegen der momentanen Atem
gasströmungsrichtung ausbreitet. Vorzugsweise sind zwei Schallquellen derart angeordnet,
daß diese die Einkoppelung eines Schallereignisses sowohl in Atemgasströmungsrichtung als
auch entgegen der Atemgasströmungsrichtung ermöglichen.
Eine besonders weitgehende Schallextinktion wird gem. einer besonders bevorzugten Ausfüh
rungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß insgesamt vier Schallquelleneinrichtungen vor
gesehen sind, die sich paarweise gegenüberliegen, wobei eine Verbindungslinie zwischen zwei
einander gegenüberliegenden Schallquellen den Atemgasförderweg unter einem Winkel im
Bereich von ca. 45° schneidet. Hierdurch wird es möglich, sowohl Longitudinal- als auch
Transversal-Schallwellen weitgehend auszulöschen. Eine von der momentanen Strömungs
geschwindigkeit des Atemgases weitgehend unabhängige Schallauslöschung kann gem. einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, daß die
Schalldetektionseinrichtung im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet ist, wie die Schall
quelle. Hierbei ist es insbesondere möglich, die Schalldetektionseinrichtung in die Schallquelle
zu integrieren. Eine derartige integrierte Ausführungsform von Schalldetektionseinrichtung
und Schallquelle läßt sich gem. einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
durch ein Piezoelement verwirklichen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei
Extinktions-Schallquellen sowie zwei Schalldetektionseinrichtungen;
Fig. 2 eine vereinfachte Schemadarstellung einer alternativen Ausführungsform mit ledig
lich einer Extinktionsschallquelle, die ein Schallereignis sowohl in als auch gegen
Strömungsrichtung in den Atemgasweg einkoppelt.
Die Darstellung gem. Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Funktion eines
erfindungsgemäß ausgestalteten CPAP-Gerätes. Im Inneren eines Außengehäuses 1 ist eine
Gebläseeinrichtung 2 aufgenommen, die bei der dargestellten Ausführungsform durch einen
Elektromotor und ein auf einer Antriebswelle des Elektromotors aufgesetztes Radiallaufrad
gebildet ist. Die Gebläseeinrichtung 2 ist in dem Außengehäuse 1 elastisch gelagert. Hierzu ist
ein Weichstoffkörper 3 vorgesehen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird durch den
Weichstoffkörper 3 eine Abdichtung der Gebläseeinrichtung 2 im Inneren des Außengehäuses
1 erreicht.
Das seitens der Gebläseeinrichtung 2 angesaugte bzw. abgegebene Atemgas wird entlang
eines Atemgasförderweges bewegt, der bei der dargestellten Ausführungsform einen
Ansaugbereich 4 und einen Ausgangsbereich 5 umfaßt. In einem dem Ansaugbereich 4 vorge
lagerten Abschnitt des Außengehäuses 1 ist eine Filtereinrichtung 6 vorgesehen zur Filterung
des angesaugten Atemgases. Die Filtereinrichtung 6 bildet eine vergleichsweise große
Durchgangsfläche und ist aus einem Material mit einem hohen Schallabsorptionsvermögen
gefertigt. Der Ansaugbereich 5 ist durch mehrere Umlenkstrecken verlängert. Hierdurch wird
ebenfalls die Ausbreitung etwaiger, seitens der Gebläseeinrichtung 2 erzeugter Geräusche
nach außen unterdrückt. Die Verlängerung des Atemgasförderweges im Ansaugbereich 4 wird
bei der dargestellten Ausführungsform durch Umlenkelemente 7 erreicht, die bei der hier
dargestellten Ausführungsform einstückig mit dem Außengehäuse 1 ausgebildet sind. Es ist
auch möglich, diese Umlenkelemente 7 zusätzlich mit einem schallabsorbierenden Material,
beispielsweise einem offenzellig geschäumten Elastomermaterial zu verkleiden.
Der Ausgangsbereich 5 ist ebenfalls derart ausgebildet, daß sich ebenfalls ein vergleichsweise
langer Atemgasförderweg ergibt. Dies wird bei der dargestellten Ausführungsform ähnlich wie
im Ansaugbereich 4 durch Umlenkelemente 8 erreicht.
Der Ausgangsbereich 5 mündet in einen Anschlußstutzen 9, auf welchen ein Atemgas
schlauch (nicht dargestellt) aufgesteckt werden kann, dessen patientenseitiges Ende mit einer
hier nur vereinfacht dargestellten Atemmaske 10 verbunden ist. Die Atemmaske 10 ist mit
mehreren Auslaßöffnungen 11 versehen, über welche ein vorbestimmter Gasstrom permanent
aufrechterhalten werden kann. Durch diesen permanent herrschenden Gasstrom wird das im
Rahmen eines Expirationsvorganges in den Atemgasschlauch hineingeförderte CO2 nach
außen abgeführt. Alternativ zu den in der Atemmaske vorgesehenen Auslaßöffnungen 11 ist
es auch möglich, zwischen dem nicht dargestellten Beatmungsschlauch und der Atemmaske
10 ein Spülelement vorzusehen, das einen vorbestimmten Leckage-Strom erzeugt.
Zwischen der Gebläseeinrichtung 2 und dem Anschlußstutzen 9 ist ebenfalls eine Filterein
richtung 12 vorgesehen, durch welche das geförderte Atemgas gefiltert und eine teilweise
Absorption der Motorgeräusche der Gebläseeinrichtung 2 erreicht wird. Diese Filtereinrichtung
ist derart angeordnet, daß diese vergleichsweise einfach auch von einem Laien ausgewechselt
werden kann. Sowohl die dem Ansaugbereich 4 zugeordnete Filtereinrichtung 6, als auch die
dem Ausgangsbereich 5 zugeordnete Filtereinrichtung 12 sind derart ausgebildet, daß diese
nur einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand erzeugen.
Das gezeigte CPAP-Gerät zeichnet sich durch wenigstens eine im Inneren des Außengehäuses
1 aufgenommene Schallquelle 14 aus, die ein Schallereignis erzeugt, das sich im Inneren des
Außengehäuses 1 ausbreitet. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Schallereignis in
das Atemgas eingekoppelt, das durch den Ausgangsbereich 5 zu dem Anschlußstutzen 9 hin
strömt.
Die Schallquelle 14 wird über eine Steuereinrichtung 15 angesteuert. Die Steuereinrichtung 15
bestimmt dabei sowohl den zeitlichen Verlauf des Schallereignisses als auch die Intensität des
erzeugten Schallsignales. In vorteilhafter Weise wird dabei das Schallereignis derart erzeugt,
daß dieses die seitens der Gebläseeinrichtung 2 erzeugten Geräusche weitgehend insbeson
dere im hörbaren Bereich auslöscht. Die Generierung des Schallereignisses erfolgt bei der dar
gestellten Ausführungsform durch Erfassung des Schalles im Inneren des Außengehäuses 1,
insbesondere im Ausgangsbereich 5. Hierzu ist eine Mikrophoneinrichtung 16 vorgesehen,
über welche eine Signalrückführung zu der Steuereinrichtung 15 erfolgt. Über die Mikrophon
einrichtung 16 kann insbesondere der Extinktionsgrad ermittelt und die Generierung des
Extinktions-Schallereignisses adaptiv optimiert werden.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind zusätzlich zu der im Ausgangsbereich 5 vorge
sehenen Schallquelle 14 zwei weitere Schallquellen 17, 18 vorgesehen, durch welche ebenfalls
die seitens der Gebläseeinrichtung 2 erzeugten Geräusche sowie etwaige Strömungsgeräusche
weitgehend ausgelöscht werden. Die Schallquelle 17 befindet sich unmittelbar im
Aufnahmeraum der Gebläseeinrichtung 2 und ist ähnlich wie eine Schallquelle 14 an die
Steuereinrichtung 15 angeschlossen.
Die Schallquelle 18 dient der Auslöschung etwaiger Geräusche im Bereich des Ansaugkanales.
Der Extinktionsgrad der durch die Schallquelle 18 erreichten Schallauslöschung wird durch
eine im Ausgangsbereich 4 vorgesehene weitere Mikrophoneinrichtung 19 erfaßt. Auf Grund
lage der über die Mikrophoneinrichtung 19 erfaßten Schallereignisse kann das über die Schall
quelle 18 erzeugte Schallsignal ebenfalls adaptiv optimiert werden.
Eine im Hinblick auf einen hohen Extinktionsgrad vorteilhafte Schallauslöschung kann gem.
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, daß
wenigstens ein Betriebsparameter der Gebläseeinrichtung 2 erfaßt wird. Hierdurch wird es
möglich, den signifikanten Verlauf des erforderlichen Extinktionsschallsignales nahezu
verzugsfrei zu bestimmen. Die Bestimmung der Grundform des Extinktionsschallereignisses
erfolgt hierbei vorzugsweise unter Rückgriff auf ein ggf. adaptiv optimiertes Kennfeld. Bei der
gezeigten Ausführungsform ist hierzu ein Beschleunigungsaufnehmer 20 vorgesehen, über
welchen die Vibration der Gebläseeinrichtung erfaßt werden kann. Anhand der erfaßten
Vibrationen der Gebläseeinrichtung 2 kann mit hoher Genauigkeit ein für eine nahezu voll
ständige Schallextinktion erforderliches Schallereignis generiert werden. Alternativ dazu oder
auch in Kombination hiermit ist es möglich, beispielsweise die Drehzahl, den Motorstrom oder
die Motorspannung der Gebläseeinrichtung 2 zu erfassen.
Die über die Schallquellen 14, 17 und 18 erzeugten Schallereignisse sind hinsichtlich des zeit
lichen Verlaufs und ihrer Phasenlage derart abgestimmt, daß eine nahezu vollständige Schall
extinktion erreicht wird. Gem. einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird hierbei die Strömungsgeschwindigkeit des Atemgases in dem jeweiligen Abschnitt des
Atemgasförderweges berücksichtigt.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Atemgases in dem Atemgasförderweg kann mit extrem
hoher Genauigkeit anhand der Phasenlage der über die Mikrophoneinrichtungen 16 oder 19
erfaßten Schallereignisse bestimmt werden. Auf Grundlage der momentanen Strömungsge
schwindigkeit des Atemgases kann die Phasenlage der über die Schallquellen 14, 17 und 18
erzeugten Schallsignale derart abgestimmt werden, daß sich jeweils zwischen den seitens der
Gebläseeinrichtung 2 erzeugten Geräuschen und den Extinktionsschallsignalen bei ansonsten
ähnlichem Druckverlauf zeitlichem eine Phasenverschiebung von λ/2 ergibt.
Die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Atemgases und die damit mögliche Bestim
mung des momentanen Atemgasflusses kann gem. einem alternativen Lösungsgedanken auch
unabhängig von der vorangehend beschriebenen Schallextinktion bei der Steuerung des
CPAP-Gerätes Anwendung finden.
Die optimale Anordnung der Schallquellen kann beispielsweise an einem Prototyp empirisch
ermittelt werden. Hierbei ist es möglich, die Schallquellen derart anzuordnen, daß das erzeug
te Schallereignis sich im wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung des Atemgases aus
breitet.
Eine sowohl im Hinblick auf eine vergleichsweise effektive Schallextinktion sowie äußerst
präzise Erfassung des Gasstromes v entlang eines Atemgasförderweges kann durch die in Fig.
2 gezeigte Anordnung erreicht werden. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Schall
quelle 14' derart angeordnet, daß diese ein entsprechend über die Steuereinrichtung
generiertes Schallereignis sowohl in einen stromaufwärts liegenden Bereich 5a, als auch in
einem stromabwärts liegenden Bereich 5b einkoppelt. Über die Mikrophoneinrichtungen 16a,
16b kann das jeweilige resultierende Geräusch detektiert werden. Anhand der
Phasenverschiebung zwischen den Signalen der über die Mikrophoneinrichtungen 16a, 16b
erfaßten Schallereignisse kann der momentane Atemgasstrom v bestimmt werden. Der
Atemgasstrom kann auch über die Phasenlage der seitens der Mikrophoneinrichtungen 16a,
16b erfaßten Schallsignale gegenüber der Schallquelle 14' ermittelt werden. Auch unter
Verzicht auf die Schallquelle 14' kann über die Mikrophoneinrichtungen 16a, 16b der
Atemgasstrom bestimmt werden, wenn in dem Atemgasförderweg ein bestimmtes
Schallsignal meßbar ist. Dieses Schallsignal kann durch die Gebläseeinrichtung 2 erzeugt
werden, oder auch pulsweise in den Atemgasförderweg eingekoppelt werden. Dieses
pulsweise eingekoppelte Schallereignis ist gem. einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung derart abgestimmt, daß dieses außerhalb des hörbaren Bereichs liegt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Beispielsweise ist es auch möglich, das CPAP-Gerät mit lediglich einer einzigen Extinktions
schallquelle zu versehen. Es ist auch möglich, die Schallquelle und die Mikrophoneinrichtung
in ein einziges Bauelement zu integrieren. Durch Verkürzung des Abstandes zwischen Schall
quelle und Mikrophoneinrichtung wird es möglich, den Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit
des Atemgases in dem Atemgasförderweg zumindest teilweise zu vernachlässigen.