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Die vorliegende Erfindung ist auf Beatmungssysteme
gerichtet, die ein Atemgas für die künstliche Beatmung eines
Patienten liefern. Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung ist
auf Volumen-Beatmungssysteme gerichtet, die eine verbesserte
Kontrolle über Strömungsdurchsatz- und Druckparameter des
Atemgases aufweisen, das dem Patienten zur Verfügung
gestellt wird.
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Künstliche Beatmungsgeräte oder Beatmungssysteme, die Luft
oder Luft- und Sauerstoffgemische zur künstlichen Beatmung
an einen Patienten liefern, sind in der Technik bekannt.
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Eine Art eines künstlichen Beatmungsgerätes aus dem Stand
der Technik ist allgemein bekannt als "Druck-Respirator",
weil im Betrieb solche Beatmungsgeräte das Beatmungsgas dem
Patienten in Übereinstimmung mit einem im wesentlichen
vorbestimmten zeitlichen Druckzyklus zur Verfügung stellen.
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Eine andere Art eines künstlichen Beatmungsgerätes aus dem
Stand der Technik ist als "Volumen-Respirator" bekannt, weil
solche Beatmungsgeräte dem Patienten bei jedem Atmungszyklus
ein vorbestimmtes Volumen an Atemgas zur Verfügung stellen.
In anderen Worten, "Volumen-Respiratoren" geben das
Beatmungsgas dem Patienten in Übereinstimmung mit einer
vorbestimmten zeitlichen Volumenfunktion oder zeitlichen
Strömungsdurchsatzfunktion ab.
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Wie dem Fachmann geläufig ist, sollte ein künstliches
Beatmungsgerät idealerweise imstande sein, mehrere Parameter des
künstlichen Beatmungsprozesses genau zu überwachen und diese
Parameter zuverlässig innerhalb vorbestimmter Grenzen
halten. Genauer gesagt, die Parameter, die genau und verläßlich
eingehalten werden sollten, umfassen den Prozentanteil an
Sauerstoff im Atemgas (wenn ein Gemisch aus Luft und
Sauerstoff statt einfach Luft für den Patienten verschrieben
ist), den Strömungsdurchsatz des Atemgases zum Patienten und
den Druck des Gases im System, der nahe dem Patienten
vorliegt (proximaler Druck).
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Wie oben vermerkt, arbeitet ein Volumen-Respirator auf dem
Grundprinzip, daß ein vorbestimmtes Volumen an Atemgas dem
Patienten bei jedem Atemzyklus zugeführt wird. Der
Strömungsdurchsatz des Gases ist jedoch während des Zyklus nicht
notwendigerweise konstant. Das Atemgas wird vielmehr dem
Patienten oft in Übereinstimmung mit einer zeitlichen
Strömungsdurchsatzkurve (oder, was im wesentlichen gleichwertig
ist, einer bestimmten zeitlichen Volumenkurve) zugeführt,
die von einem Arzt in der Verschreibung bestimmt wurde, die
auf die individuellen Anforderungen des Patienten
zugeschnitten ist.
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Der proximale Druck des Atemgases (wie auch der
Strömungsdurchsatz) wird üblicherweise auch bei Beatmungsgeräten aus
dem Stand der Technik nicht konstant gehalten. Während
bestimmter Beatmungsweisen wird vielmehr der proximale Druck
üblicherweise von einem Ausatmungsventil gesteuert, das
öffnet und schließt, um einen vorbestimmten Druckpegel im
System aufrechtzuerhalten. Der vom Ausatmungsventil
aufrechterhaltene Druckpegel ist während des Beatmungszyklus
jedoch nicht konstant. Er ändert sich vielmehr in einem
zeitlichen Zyklus, um die Füllung der Lungen des Patienten
mit Atemgas zu gestatten und nachfolgend die Entleerung bis
auf einen vorbestimmten Druckpegel hinab zuzulassen, während
der Patient ausatmet. Ferner funktioniert das
Ausatmungsventil auch als wesentliches Sicherheitsventil, um die
Möglichkeit
der versehentlichen "Drucküberbeaufschlagung" des
Patienten auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
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Zusätzlich zu den oben kurz zusammengefaßten Erfordernissen
müssen künstliche Beatmungsgeräte oder sollten zumindest
idealerweise sehr zuverlässig und sicher arbeiten.
Sicherheit erfordert beispielsweise nicht nur die genaue
Beibehaltung der Steuerparameter des Beatmungsvorganges, sondern
auch raschen Zugriff zur Umgebungsluft, um die natürliche
Atmung des Patienten zu ermöglichen, wenn im System ein
elektrischer Stromausfall oder eine andere ernsthafte
Funktionsstörung stattfindet.
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Schließlich sollten künstliche Volumen-Respiratoren
idealerweise imstande sein, mehrere Arten von Atmung abzugeben, wie
etwa die "volumengesteuerte" Atmung dort, wo das
Beatmungsgerät gänzlich den Kraftaufwand für die Atmung des Patienten
liefert (kurz oben beschrieben), sowie die "unterstützte
volumengesteuerte" Atmung und die "spontane" Atmung. In den
letztgenannten beiden Arten der Beatmung ermittelt und
unterstützt oder stützt das Beatmungsgerät die spontanen
Atmungsbemühungen des Patienten.
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Der Stand der Technik hat mehrere Beatmungsgeräte
entwickelt, bei der Bemühung, den oben vermerkten und anderen
Erfordernissen mehr oder weniger zu genügen. In typischer
Weise umfassen volumengesteuerte Beatmungsgeräte aus dem
Stand der Technik eine Mischeinrichtung, um ein Gemisch aus
Luft und Sauerstoff mit einer vorbestimmten Konzentration
bereitzustellen, ein computergestütztes Nebensystem zur
Strömungssteuerung und ein computergestütztes Nebensystem
zur Drucksteuerung. Die Nebensysteme zur Strömungssteuerung
aus dem Stand der Technik umfassen üblicherweise einen
unmittelbar wirksamen Verdrängungskolben, dessen Bewegung von
einem Computer in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten
zeitlichen Volumen- (oder Strömungs-)funktion gelenkt ist.
Die Nebensysteme zur Drucksteuerung aus Volumen-Respiratoren
des Standes der Technik umfassen in typischer Weise einen
Druckregler, der einen Steuerdruck abgibt, um pneumatisch
den Freisetzungsdruck des Ausatmungsventiles zu steuern.
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Beispiele künstlicher Beatmungsgeräte und spezifischer
Komponenten solcher Beatmungsgeräte oder zugeordneter Systeme
aus dem Stand der Technik können in den folgenden
US-Patenten gefunden werden: 4 036 221; 4 177 830; 4 336 590;
4 326 513; 4 204 536; 3 903 881; 4 190 045; 4 448 192;
4 323 064; 4 262 689; 4 333 453; 4 097 786.
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Das US-Patent Nr. 4 401 116 offenbart insbesondere eine Gas-
Strömungsdruchsatz-Steuervorrichtung für ein medizinisches
Beatmungsgerät mit einem Ventil mit variabler Blende zur
Einstellung des Spitzendurchsatzes sowie einem
Schwingungsverlaufregler, der einen gesteuerten Gasdruck an die Blende
abgibt. Der Regler erhält einen festen Differentialdruck
zwischen der stromaufwärts gelegenen Seite der Blende und
einem Bezugsdruck aufrecht. Der Bezugsdruck ist variabel
zwischen dem Atmosphärendruck und einem Druck, der im
wesentlichen der proximale Druck der Luftwege des Patienten
ist. Wenn der Bezugsdruck der proximale Druck der Luftwege
des Patienten ist, dann wird ein konstanter
Differentialdruck über die Blende hinweg so aufrechterhalten, daß ein
gleichförmiger Strömungsdurchsatz beibehalten wird. Wenn der
Bezugsdruck der Atmosphärendruck ist, dann wird ein
konstanter Druck der stromaufwärts gelegenen Seite der Blende
zugeführt, so daß der Strömungsdurchsatz aus der Blende abnimmt,
wenn der proximale Druck der Luftwege des Patienten an der
stromabwärts gelegenen Seite der Blende zunimmt. In einem
Ausführungsbeispiel wird ein pneumatischer Schalter
verwendet, um als den Bezugsdruck entweder den proximalen Druck
der Luftwege zuzuführen, wobei ein gleichförmiger
Strömungsdurchsatz
oder eine "Rechteckwelle" erhalten wird, oder den
Atmosphärendruck, wobei eine feste Geschwindigkeitsabnahme
des Strömungsdurchsatzes oder eine "Konuswelle" für jede
vorgegebene Spitzen-Strömungsdurchsatz-Einstellung der
variablen Blende erhalten wird. In einem anderen
Ausführungsbeispiel wird ein Ventil benutzt, um den Bezugsdruck zwischen
dem Atmosphärendruck und dem proximalen Druck der Luftwege
zu ändern, um einstellbare Werte der
Geschwindigkeitsverringerung des Strömungsdurchsatzes für jede vorgegebene
Einstellung der Spitzen-Strömungsblende zu erhalten.
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Obwohl die Beatmungsgeräte aus dem Stand der Technik sich
für viele klinische Erfordernisse als geeignet erwiesen
haben, wurde doch das Erfordernis erkannt, die
Beatmungsgerät-Parameter des zeitlichen Zyklus von Strömungsdurchsatz
und proximalem Druck in zunehmender Weise genau zu
überwachen und beizubehalten. Deshalb bietet die vorliegende
Erfindung, die ein Beatmungsgerät mit verbesserter Fähigkeit
liefert, die voranstehenden wesentlichen Parameter genau und
verläßlich beizubehalten, einen großen Schritt in der
Technik nach vorne.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
künstliches Beatmungsgerät vorzusehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Beatmungssystem zur
künstlichen Beatmung eines Patienten vorgesehen, umfassend
eine druckgeregelte Atemgasquelle, eine Atemgas dem
Patienten zuführende Leitungsanordnung zum Anschluß an eine
Patienten-Strömungssteuereinrichtung zur Steuerung der
Atemgasströmung von der druckgeregelten Quelle zu der
Leitungsanordnung entsprechend einem vorgegebenen zeitlichen
Strömungsdurchsatzverlauf; eine Einrichtung zur Messung des
Strömungsdurchsatzes des Atemgases stromabwärts von der
Strömungssteuereinrichtung und zur Erzeugung eines den
Strömungsdurchsatz
angebenden ersten elektrischen Signals; eine
Ausatmungs-Ventileinrichtung zur Steuerung der Abgabe von
der Atemgas-Leitungsanordnung und des Ausatmungsgases des
Patienten; eine mit der Ausatmungs-Ventileinrichtung
funktionsmäßig verbundene Drucksteuereinrichtung zur Steuerung der
Ausatmungs-Ventileinrichtung derart, daß in der
Leitungsanordnung der Druck entsprechend einem vorgegebenen zeitlichen
Druckverlauf aufrechterhalten wird; und eine
Computereinrichtung zur Aufnahme des ersten elektrischen Signals, zur
Erzeugung des vorgegebenen zeitlichen Druckverlaufs, zum
Vergleichen des von dem vorgegebenen zeitlichen
Strömungsdurchsatzverlauf angeforderten Wertes mit dem von dem ersten
elektrischen Signal angegebenen momentanen
Strömungsdurchsatz, zum Erzeugen eines ersten Steuersignals und zu dessen
Übertragung an die Strömungssteuereinrichtung zur Regelung
der Strömungssteuereinrichtung, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Strömungssteuereinrichtung ein einstellbares
Ventil mit einer Einlaßöffnung, einen mit der Öffnung
zusammenarbeitenden Ventilkörper, einen den Ventilkörper
beaufschlagenden Nockenstößel, einen Schrittschaltmotor mit einer
Welle und einen auf der Welle montierten und mit dem
Nockenstößel zusammenarbeitenden asymmetrischen Nocken umfaßt,
wobei der Schrittschaltmotor zur Steuerung des
Strömungsdurchsatzes durch das Steuersignal gesteuert wird.
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Ein Beatmungssystem, das die vorliegende Erfindung
verkörpert, wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die
beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des
bevorzugten Ausführungsbeispiels des Beatmungssystems der
vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 2 ein schematischer Querschnitt des
Steuerdruck-Steuerventils und Ausatemventils des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
des Beatmungssystems der vorliegenden
Erfindung ist;
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Fig. 3 eine Draufsicht ist, die längs Linie 3,3 in
Fig. 2 vorgenommen wurde; und
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Fig. 4 ein Querschnitt durch das
Strömungsdurchsatz-Steuer-Nebensystem der vorliegenden Erfindung ist.
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Die folgende Beschreibung, die in Verbindung mit den
Zeichnungen herangezogen wird, führt das bevorzugte
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus. Die
Ausführungsbeispiele der Erfindung, die hier offenbart sind, sind die
besten, von den Erfindern in Betracht gezogenen
Ausführungsarten, um ihre Erfindung in einem kommerziellen Bereich
durchzuführen, doch es wird darauf hingewiesen, daß
verschiedenartige Anpassungen innerhalb des Umfangs der
vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können.
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Es wird nun auf die schematische Ansicht der Fig. 1 Bezug
genommen; ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des
künstlichen Beatmungssystems 10 der vorliegenden Erfindung ist
offenbart. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des
Beatmungssystems oder des Beatmungsgerätes 10 der vorliegenden
Erfindung wird am besten dadurch beschrieben, daß man dem
Strömungsweg der Luft oder der Luft-Sauerstoff-Gemische durch
die Anzahl von Komponenten des Beatmungssystems 10 zu einem
Patienten 12 hin folgt, und daß man den Weg der
Ausatmungsgase vom Patienten 12 zur Außenumgebung hin folgt.
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Es wird gleich am Beginn der vorliegenden Beschreibung
vermerkt, daß bestimmte Komponenten des hier beschriebenen
Beatmungssystems 10 in der Technik durchaus bekannt sind. Die
Funktion und der Aufbau solcher bekannter Komponenten wird
in der nachfolgenden Beschreibung nur bis zu dem Ausmaß
beschrieben,
das erforderlich ist, um das Beatmungssystem 10
zu beschreiben und zu erläutern, sowie seine neuartigen
Komponenten und Wirkungsweisen.
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Ein Luft-Einlaßfilter 14 und ein Sauerstoff-Einlaßfilter 16
sind schematisch in der unteren linken Ecke der Fig. 1
gezeigt. Das Luftfilter 14 und das Sauerstoffilter 16 erhalten
jeweils eine Druckzufuhr an Luft bzw. Sauerstoff. Luft und
Sauerstoff, die durch die jeweiligen Filter 14 und 16
strömen, treten durch Rückschlagventile 18 und 20 in einen
Luftregler 22 bzw. ein Sauerstoffrelais 24 ein. Die Luft- und
Sauerstoffilter 14 und 16 verhindern die Kontaminierung des
Beatmungssystems 10 durch Aerosole und Partikel, die in den
Gasen vorliegen können. Die Rückschlagventile 18 und 20
verhindern den Austausch von Verschmutzung von Luft- und
Sauerstoffquelle.
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Elektrische Druckschalter 26 und 28 sowie Druckmesser 30 und
32 sind auf den jeweiligen Leitungen zwischen dem Luftfilter
14 und dem Luftregler 22 sowie dem Sauerstoffilter 16 und
dem Sauerstoffrelais 24 zwischengeschaltet. Der Druckmesser
30 mißt den tatsächlichen Druck der Luft, die in den
Luftregler 22 eintritt, und der Druckmesser 32 mißt den
tatsächlichen Druck des Sauerstoffes, der in das Sauerstoffrelais
24 eintritt. Die Druckmesser 30 und 32 sind bevorzugt an der
Außenseite des Beatmungssystems 10 so angebracht, daß sie
ohne weiteres vom Krankenhauspersonal (nicht gezeigt)
beobachtet werden können. Ganz allgemein sind Gegenstände, die
außerhalb des gestrichelten rechteckigen Kastens 33 in Fig.
1 gezeigt sind, an der Außenseite der tatsächlichen
Vorrichtung angebracht, die das Beatmungssystems 10 verkörpert.
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Jeder der Druckschalter 26 und 28 liefert ein elektrisches
Ausgangssignal, das schematisch in Fig. 1 als 34 bzw. 36
gezeigt ist, an den Mikrocomputerregler 38 des
Beatmungssystems
10, um anzuzeigen, ob ausreichend Eingangsdruck von
Luft bzw. Sauerstoffgas vorliegt oder nicht. Genauer gesagt,
in dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Druckschalter 26 und 28 dem Typ nach einpolig und
mit einfacher Bewegung, und sind bevorzugt geeicht, so daß
sie schließen, wenn der Druck unter einen Druck von etwa
193·10³ ± 3,45·10³ Pascal (Pa) [28 ± 0,5 Pfund pro
Quadratzoll Überdruck (psig)] abfällt. Wenn die Schalter 26 und
28 offen sind (wie sie während des normalen Betriebs des
Beatmungsgerätes 10 sind), dann senden sie Eingangssignale 34
und 36 an dem Mikrocomputerregler 38. Wenn einer der
Druckschalter wegen des Fehlens eines ausreichenden Druckes auf
der entsprechenden Leitung geschlossen ist, dann sendet der
Schalter ein Signal 34 oder 36 unmittelbar an ein
quergeschaltetes Elektromagnetventil 40.
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Das quergeschaltete Elektromagnetventil 40 ist zwischen den
Leitungen angeordnet, die von den Rückschlagventilen 18 und
20 zum Luftregler 22 bzw. Sauerstoffregler 24 führen. Das
quergeschaltete Elektromagnetventil 40 funktioniert auf die
folgende Weise: Während des Normalbetriebs des
Beatmungssystems 10 ist das quergeschaltete Elektromagnetventil 40
geschlossen. Wenn irgendeine von Luft- oder Sauerstoffzufuhr
unterbrochen ist, dann öffnet der Eingang 34 oder 36 des
jeweiligen Druckschalters 26 oder 28 das quergeschaltete
Elektromagnetventil 40. Dies gestattet es, je nachdem Luft oder
Sauerstoff, je nachdem in den Luftregler 22 oder das
Sauerstoffrelais 24 einzutreten. Wie aus der nachfolgenden
Beschreibung ohne weiteres verständlich wird, ist das
Beatmungssystem 10 imstande, mit offenem quergeschaltetem
Elektromagnetventil 40 mit jeder von Luft- oder Sauerstoffzufuhr
zu funktionieren, obwohl man beim
Sauerstoff-Konzentrationspegel im Atemgas, das dem Patienten 12 zugeführt wird,
Zugeständnisse machen muß.
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Die oben erwähnten Bestandteile, nämlich Filter,
Druckschalter, Druckmesser, Regler und Elektromagnetventil des
Beatmungssystems 10 sind im wesentlichen Standardkomponenten von
Beatmungsgeräten aus dem Stand der Technik und erfordern
keine detaillierte bauliche Beschreibung. Bevorzugt sind die
Einlaßfilter 14 und 16 imstande, im Temperaturbereich von
-35ºC bis 40ºC (-31ºF bis +104ºF) zu arbeiten, haben ein
Mindest-Rückhaltevermögen von 98,5% von Partikeln mit einer
Größe von 0,4 um (oder größer) oder von Tröpfchen von 1 um
oder größer. Der Bereich der Druckmesser 30 und 32 liegt
bevorzugt etwa bei 0 bis 6,89·10% Pa [0 bis 100 psig (Pfund
pro Quadratzoll Überdruck)]. Der Eingangsdruck der Luft- und
Sauerstoffgase in die jeweiligen Filter 14 und 16 liegt
bevorzugt im Bereich von 2,07·10&sup5; bis 6,89·10&sup5; Pa (30 bis
100 psig), da mindestens 193·10³ ± 3,45·10³ Pa (28 ± 0,5
psig) erforderlich ist, um das System 10 des bevorzugten
Ausführungsbeispiels betriebsbereit zu halten.
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Der Luftregler 22, der ebenfalls im wesentlichen eine
standardmäßige Komponente aus dem Stand der Technik des Systems
10 ist, ist ein Präzisionsinstrument, welches imstande ist,
einen im wesentlichen konstanten Luftdruck in einem weiten
Strömungsbereich abzugeben, bevorzugt im Bereich von etwa 0
bis 80 Standardliter pro Minute (0 bis 80 SLPM). In dem hier
beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der
Luftregler 22 geeicht und so eingestellt, daß er eine Luftabgabe
bei 1,25·10&sup5; ± 6,89·10² Pa (18,2 ± 0,1 psig) liefert.
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Das Sauerstoffrelais 24, das ebenfalls eine standardisierte
Komponente aus dem Stand der Technik des Systems 10 ist, hat
ähnliche abgabe- und druckregulierende Eigenschaften wie der
Luftregler 22. Wie in der schematischen Ansicht der Fig. 1
gezeigt, empfängt das Sauerstoffrelais 24 einen Eingangs-
Steuerdruck aus dem Ausgang des Luftreglers 22, um den
Ausgangsdruck des Sauerstoffrelais 24 an den Luftregler 22
anzupassen.
Dies ist wesentlich, denn zum Erreichen einer
genauen Vermischung oder eines genauen Verschnitts von
Luftund Sauerstoffgasen im Beatmungssystem 10 muß der Druck der
beiden Gase im wesentlichen identisch sein.
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Es folgen ferner die Wege der Luft- und Sauerstoffgase im
System 10, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, wobei
beide Gase in ein Vermischungs-Nebensystem 44 eintreten. Zum
Zweck der gesonderten Identifizierung ist das Vermischungs-
Nebensystem 44 in Fig. 1 in einen Kasten 46 eingeschlossen
gezeigt, der gestrichelt gezeichnet ist. Die Funktion des
Vermischungs-Nebensystems 44 ist es, die Luft- und
Sauerstoffgase in einem Verhältnis zu vermischen, welches vom
Mikrocomputerregler 38 in Übereinstimmung mit einer
"Beatmungsverschreibung" vorgewählt ist, die von einem Arzt
vorgesehen ist, um den individuellen Erfordernissen des
Patienten 12 zu entsprechen. Somit ist das Verhältnis von Luft und
Sauerstoff im Ausgang des Vermischungs-Nebensystems 44 ein
vorgewählter Steuerparameter des Beatmungssystems 10. Dieses
Verhältnis ist in den Speicher des Mikrocomputerreglers 38
an einer Vorderseite oder Schalttafel (nicht gezeigt) des
Systems 10 eingegeben.
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Das Vermischungs-Nebensystem 44, das im Beatmungssystems 10
der vorliegenden Erfindung enthalten ist, kann dem Stand der
Technik angehören. Bevorzugt jedoch umfaßt das Vermischungs-
Nebensystem 44, das in die vorliegende Erfindung mit
aufgenommen ist, ein einstufiges Sauerstoff-Mischventil 48,
welches nach dem Prinzip zweier variabler Blenden arbeitet, wie
in der schematischen Ansicht der Fig. 1 gezeigt ist. Die
druckausgeglichenen Luft- und Sauerstoffleitungen werden
jeweils an getrennte Öffnungen 50 und 52 des Mischventils 48
angeschlossen. Eine rostfreie Stahlkugel 54, die von einer
Gewindeachse 56 und einem federbelasteten Stift 57 der Achse
56 diametral gegenüberliegend getragen ist, bewegt sich
zwischen
zwei Sitzen 58 bzw. 60 vorwärts und rückwärts, um
gleichzeitig die Strömung der beiden Gase zu steuern. Wenn
die Kugel 54 zwischen den beiden Sitzen 58 und 60 bewegt
wird, dann wird die Strömungsfläche der einen Blende
vergrößert, während jene der gegenüberliegenden verringert wird.
Somit bleibt die gesamte, wirksame Strömungsfläche konstant,
ungeachtet der vorgewählten Einstellung des
Mischungsverhältnisses der beiden Gase.
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Die Gewindeachse 56 und deshalb die Kugel 54 werden durch
eine flexible Ankoppelung 62 von der stufenweise erfolgenden
Drehung eines Schrittmotors 64 gesteuert. Der Schrittmotor
64 empfängt einen Eingang 66 aus dem Mikrocomputerregler 38.
Dieser Eingang 66 spricht seinerseits wiederum auf den
Ausgang 68 optischer Lagefühler 70 an, die die Lage einer
optischen Scheibe 71 überwachen, die an der Achse 56 angebracht
ist. Die optischen Lagefühler 70 sind nur schematisch in
Fig. 1 gezeigt.
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Somit hält der Mikrocomputerregler 38 das Atemgasgemisch,
das aus dem Mischventil 48 austritt, bei dem vorgewählten
Verhältnis von Sauerstoff und Luft. Wie bekannt, kann dieses
Verhältnis zwischen etwa 21% O&sub2; (reine Luft) bis auf
näherungsweise 100% O&sub2; (reines Sauerstoffgas) variieren.
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In dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel
tritt das Atemgasgemisch in einen Speicher 72 mit etwa 3,6
Liter Volumen ein, bevor es aus dem Vermischungs-Nebensystem
44 freigegeben wird. Der Speicher 72 ermöglicht es dem
Mischer 44, plötzliche Anstiege der Anforderung an Atemgas
aufzunehmen.
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Soweit die vorliegende Erfindung ohne weiteres mit Mischern
aus dem Stand der Technik realisiert werden kann, ist eine
weitere detaillierte Beschreibung des speziellen
Ausführungsbeispiels
des Vermischungs-Nebensystems 44 hier nicht
als erforderlich angesehen. Eine solche detaillierte
Beschreibung kann in der ebenfalls anhängigen Anmeldung
gefunden werden, die zusammen mit der vorliegenden Anmeldung am
selben Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereicht
wurde, an dieselbe Anmelderin übertragen wurde und den Titel
"Elektronisch gesteuertes Gas-Vermischungssystem" aufweist.
Die Beschreibung dieser ebenfalls anhängigen Anmeldung wird
hier durch Bezugnahme ausdrücklich mit aufgenommen.
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Es wird noch immer auf die linke Seite der Fig. 1 Bezug
genommen; die Leitung, die vom Luftregler 22 zur Steuer- oder
Regelöffnung des Sauerstoffrelais 24 führt, ist gemäß der
Darstellung angezapft, um Luft mit dem Ausgangsdruck des
Luftreglers 22 [in dem hier beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiel bei 1,25·10&sup5; ± 6,89·10² Pa (18,2 ± 0,1
psig)] zu einem Antriebsventil 74 und durch dieses zu
leiten. Der Ausgang des Antriebsventils 74 wird nachfolgend als
Systemluft, Antriebsluft oder System- oder Antriebsdruck
bezeichnet.
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Eine andere Leitung, die auch aus derselben Quelle angezapft
wurde, führt Luft [mit 1,25·10&sup5; ± 6,89·10² Pa (18,2 ±
0,1 psig)] durch ein Sicherheits-Elektromagnetventil 76. Das
Sicherheits-Elektromagnetventil 76 empfängt sein
elektrisches Steuersignal 75 aus dem Mikrocomputerregler 38. Wenn
das System 10 einen elektrischen Stromausfall aufweist oder
der Mikrocomputerregler 38 bestimmt, daß das System aus
anderen Gründen unwirksam ist, dann schließt das Steuersignal
75 das Sicherheits-Elektromagnetventil 76. Normalerweise ist
das Elektromagnetventil 76 offen und ermöglicht es der
Druckluft, hierdurch in die Regel- oder Steuerdrucköffnung
78 des Antriebsventils 74 hindurchzugelangen. Deshalb
ermöglicht es normalerweise das Elektromagnetventil 76 der
Druckluft, durch das Antriebsventil 74 zu strömen. Wenn jedoch
das Sicherheits-Elektromagnetventil 76 geschlossen ist, dann
empfängt auch die Steueröffnung 78 des Antriebsventils 74
keinen Druck und das Antriebsventil 74 schließt.
Dementsprechend führt ein elektrischer Stromausfall oder irgendein
anderer unwirksamer Zustand des Systems 10, wenn er vom
Mikrocomputerregler 38 bestimmt wird, zu einem Verlust der
Antriebsluft oder des Systemdrucks.
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In ähnlicher Weise hat, wenn ein "Druckausfall" im System
vorliegt, und zwar in dem Sinn, daß der Luftregler 22
versagt, Druckgas abzugeben, das Antriebsventil 74 keinen
Eingang und keinen Ausgang, ungeachtet der Funktion des
elektrischen Teils des Systems 10. Wie es noch weiter unten
beschrieben wird, wird der Antriebsluftausgang des
Antriebsventils 74 verwendet, um das Steuerdruck-Steuerventil der
vorliegenden Erfindung zu betreiben. Wenn deshalb keine
unter Druck stehende Antriebsluft vorliegt, schaltet die
künstliche Beatmung des Systems 10 ab. In einem solchen Fall
erhält jedoch der Patient 12 auf eine noch später
beschriebene Weise Zugang zur Umgebungsluft für die spontane Atmung.
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Genauer gesagt, das vermischte Atemgas wird zu einem
Strömungs-Absperrventil 82 und durch dieses hindurch geleitet.
Die Steueröffnung 84 des Absperrventils 82 empfängt die
Antriebsluft bei etwa 12,4·10&sup4; Pa (18 psig) vom
Antriebsventil 74. Wenn kein Steuerdruck für die Steueröffnung 84
vorliegt, dann schließt das Absperrventil 82. Wenn deshalb das
Antriebsventil 74 keinen Druckausgang aufweist (keine
Antriebsluft vorliegt), dann kann das Atemgas nicht durch das
Absperrventil 82 hindurchtreten.
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Das Atemgas tritt vom Absperrventil 82 zu einem
Strömungsdurchsatz-Steuer-Nebensystem 86 des Atemgeräts 10 der
vorliegenden Erfindung hindurch. Der nachfolgend beschriebene
Aufbau des Strömungsdurchsatz-Steuer-Nebensystems 86 ist
neu.
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Das Strömungsdurchsatz-Steuer-Nebensystem 86 ist in Fig. 1
in einem Kasten 87 enthalten, der mit gestrichelten Linien
gezeichnet ist. Ein Teil dieses Nebensystems ist auch in der
Querschnittsansicht der Fig. 4 gezeigt. Es umfaßt ein
Ventilgehäuse 88 und eine Ventilkugel 90, die an einem
Ventilsitz 92 aneinandergrenzen. Atemgas tritt bei einem Druck von
etwa 6,89·10&sup4; Pa bis 12,4·10&sup4; Pa (10 bis 18 psig) in
eine Einlaßöffnung 94 des Ventilkörpers 88 vom Absperrventil
82 her ein. Das Atemgas tritt dann durch das Ventil, das von
der Kugel 90 und dem Ventilsitz 92 gebildet ist, und verläßt
den Körper 88 durch die Auslaßöffnung 96.
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Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird die Lage des
Kugelventils 90 relativ zum Ventilsitz 92 gesteuert von einer Stange
98, die in Schiebelagern 100 angebracht ist. Die Stange 98
weist eine Nocken-Mitnehmerlagerung 102 an ihrem von der
Kugel 90 abgelegenen Ende auf. Die Nocken-Mitnehmerlagerung
102 grenzt an einen asymmetrischen Nocken 104 an, der an
einer Welle 106 eines zweiten Schrittmotors 108 angebracht
ist. Weil der Spalt zwischen der Kugel 90 und dem Ventilsitz
92 selbst in voll offener Lage des Ventils verhältnismäßig
klein ist, fällt der Druck das Atemgases von etwa 6,89·10&sup4;
bis 12,40·10&sup4; Pa (10 bis 18 psig) ab auf etwa 0 bis 1,38·
10&sup4; Pa (0 bis 2 psig), indem er durch das Ventilgehäuse 88
hindurchtritt. Demzufolge drückt der Druck auf der
"Hochdruck"-Seite des Gehäuses 88 den Nocken-Mitnehmer 102 gegen
den asymmetrischen Nocken 104 an, und es ist keinerlei Feder
oder ein ähnliches Teil erforderlich, um den
Nocken-Mitnehmer 102 zu veranlassen, dem Nocken 104 genau zu folgen.
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Der zweite Schrittmotor 108 wird durch ein elektrisches
Eingangssignal 110 des Mikrocomputerreglers 38 gesteuert. In
dem hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel hat
der Schrittmotor 108 189 Drehschritte, die sich auf 1,32 mm
(0,052 Zoll) Bewegungsweg der Steuerstange 98 umsetzen. Wie
ohne weiteres aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich
sein sollte, steuert somit der Schrittmotor 108 den
Strömungsdurchsatz des Atemgases durch das Ventilgehäuse 88. Die
maximal offene und voll geschlossene Position des
Ventilkörpers im Gehäuse 88, die den 189 Schritten (weniger als eine
volle Umdrehung) des Schrittmotors 108 entsprechen, werden
durch optische Fühler 112 ermittelt. Die optischen Fühler
112 weisen Lichtstrahlen (nicht gezeigt) auf, die lediglich
in der Null-Strömungslage und vollen Strömungslage des
Ventils unterbrochen werden.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise der optischen Fühler 112,
die im Strömungs-Steuer-Nebensystem 86 enthalten sind, sind
sehr ähnlich den optischen Fühlern, die im
Steuerdruck-Steuerventil des Atemgeräts 10 der vorliegenden Erfindung
enthalten sind. Eine weitere Beschreibung der optischen Fühler
112 ist in dieser Beschreibung in Verbindung mit dem
Steuerdruck-Steuerventil vorgesehen. Es ist ausreichend, zum Zweck
der Beschreibung des Strömungs-Steuer-Nebensystems 86 zu
vermerken, daß ein Ausgang 114 der optischen Fühler 112
einen Bezugspunkt für den Mikrocomputerregler 38 liefert, um
die beiden jeweiligen Extremlagen des zweiten Schrittmotors
108 herzustellen und zu überwachen.
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Es wird nun auf die untere rechte Seite der schematischen
Ansicht der Fig. 1 Bezug genommen; Das Atemgas strömt gemäß
der Darstellung von der Auslaßöffnung 96 des Ventilgehäuses
88 zu einer Strömungs-Egalisierungseinrichtung 116. Die
Strömungs-Egalisierungseinrichtung 116 ist eine Vorrichtung
aus dem Stand der Technik, die das Strömungsgeräusch und die
Turbulenz auf ein Mindestmaß reduziert, bevor die Strömung
in einen Strömungs-Umformer 118 eintritt.
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Der Strömungs-Umformer 118 gehört bevorzugt jener Art an,
die in dem US-Patent Nr. 3 680 375 beschrieben ist, dessen
Beschreibung durch die Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Der Strömungs-Umformer 118 mißt den augenblicklichen
Strömungsdurchsatz des Atemgases und sendet an den
Mikrocomputerregler 38 ein elektronisches Signals 120, das eine
Aussage über den gemessenen Strömungsdurchsatz liefert.
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Im Speicher des Mikrocomputerreglers 38 ist eine
vorbestimmte Funktion des Strömungsdurchsatzes über der Zeit
gespeichert. Diese Funktion wird verwendet, um einen
Strömungsdurchsatz-Bezugswert zu liefern, wenn das Atemgerät
einen gesteuerten Atem abgibt, entweder unter vorgewählten
Zeitabständen oder in Abhängigkeit von einem proximalen
Druckabfall, der eine Aussage über einen Atmungsversuch
durch den Patienten liefert. Wenn das Atemgerät einen
"spontanen" Atem abgeben soll (einen, der vom Patienten ausgelöst
und gesteuert wird), dann liefert ein Strömungsdurchsatz-
Algorithmus, der im Speicher des Mikrocomputers gespeichert
ist, einen Strömungsdurchsatz-Bezugswert, der eine Funktion
der augenblicklichen Anforderung des Patienten ist, gemessen
durch Änderungen im proximalen Druck. In jedem Fall
vergleicht der Mikrocomputerregler 38 das Signal 120 mit einem
Strömungsdurchsatz-Bezugswert, der von der gespeicherten
Funktion des Strömungsdurchsatzes über der Zeit angefordert
wird, oder vom Strömungsdurchsatz-Algorithmus, und erzeugt
das Steuersignal 110, das auf den Unterschied zwischen den
beiden Werten anspricht. Das Steuersignal 110 wird an den
zweiten Schrittmotor 108 abgegeben, um seine Lage zu
steuern, und, falls erforderlich, den Strömungsdurchsatz so
einzustellen, daß er mit dem geforderten Wert übereinstimmt.
Das Vorangehende liefert eine im wesentlichen
augenblickliche Servosteuerung, um die präzise Einstellung des
Strömungsdurchsatzes sicherzustellen.
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Es wird wieder auf die rechte Seite der Fig. 1 Bezug
genommen; eine Leitung führt gemäß der Darstellung vom Ausgang
des Absperrventiles 82 zu einem Leckage-/Ablaßventil 121
parallel zu der Leitung, die zum
strömungs-Steuer-Nebensystem 86 führt. Das Leckage-/Ablaßventil 121 erhält somit
Atemgas bei näherungsweise 6,89·10&sup4; bis 12,40·10&sup4; Pa
(10 bis 18 psig). Das Leckage-/Ablaßventil 121, das im
wesentlichen einen standardmäßigen Aufbau aus dem Stand der
Technik aufweist, umfaßt eine Engstelle 122, einen Diffusor
124 und zwei Auslässe, nämlich einen Auslaß 126 und eine
Blende 128. In dem hier beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiel ist das Leckage-/Ablaßventil 121 so
ausgebildet, daß es eine Ausströmung von näherungsweise 2 Litern pro
Minute (2 lmin&supmin;¹) an Atemgas durch den Auslaß 126 zur
Umgebung hin gestattet. Diese Ausströmung findet durch einen
nach außen führenden Ausblaseauslaß 130 statt, der einfach
ein Rohr (im einzelnen nicht gezeigt) sein kann, das an die
Umgebung auf der Außenseite der Beatmungsvorrichtung abgibt.
Die Blende 128 des Leckage-/Ablaßventils 121 sieht in dem
hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel eine
mittlere Strömung von näherungsweise 0,13 lmin&supmin;¹ zum
Patienten 12 vor.
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Zusätzlich zu der ständigen Strömung des Atemgases durch das
Leckage-/Auslaßventil 121 gibt es eine Grundströmung
(Vorgabeströmung) von näherungsweise 5 lmin&supmin;¹ des Gases durch das
Strömungs-Steuer-Nebensystem 86. Wie ohne weiteres aus der
nachfolgenden Beschreibung verständlich wird, ist es der
Vorgabeströmung, wenn sie nicht vom Patienten 12 eingeatmet
wird, ermöglicht, während des Ausatemzyklus des Patienten
zur Umgebung hin zu entweichen.
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Die kontinuierliche Strömung des Atemgases durch das
Leckage-/Auslaßventil 121 und die Vorgabeströmung durch das
strömungs-Steuer-Nebensystem 86 sind erwünscht, weil das
Mischer-Nebensystem 44 nicht imstande ist, mit ausreichender
Genauigkeit zu mischen, wenn die Strömung sehr gering ist.
Deshalb gestattet es die kontinuierliche Strömung dem
Mischer 44, mit ausreichend hohen Strömungsdurchsätzen zu
arbeiten, um eine angemessene Mischgenauigkeit
sicherzustellen.
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Die geringe (näherungsweise 0,13 lmin&supmin;¹ oder kleiner)
Strömung aus dem Leckage-/Auslaßventil 121 zum Patienten 12 hält
die proximale Luftwegeleitung 129 des Systems 10 frei von
Flüssigkeiten und anderen Materialien, die ihren Ursprung
vom Patienten 12 her haben.
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Das Atemgas tritt gemäß der Darstellung in Fig. 1 aus dem
Strömungs-Umformer 118 in ein Sicherheitsventil-Nebensystem
132 ein. Das Sicherheitsventil 132 weist eine Regel- oder
Steuerdrucköffnung 134 auf, die Antriebsluft aus dem
Antriebsventil 74 aufnimmt. Wenn kein Eingang des Steuerdrucks
zur Steueröffnung 134 vorliegt, dann ist das
Sicherheitsventil 132 durch eine erste Auslaßöffnung 136 zu dem außerhalb
gelegenen Abgabeauslaß 130 hin offen, d. h., zur
Umgebungsluft. Wenn jedoch Antriebsluft oder Systemdruck vorliegt,
dann ist das Sicherheitsventil 132 gegenüber der Umgebung
geschlossen, und das Atemgas strömt durch eine zweite
Auslaßöffnung 138 des Sicherheitsventils 132 zum Patienten 12.
Ein Ein-Wege-Rückschlagventil 140 ist im Weg des Atemgases
im Sicherheitsventil 132 angeordnet, um die Strömung des
Gases in der entgegengesetzten Richtung zu verhindern.
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Das Atemgas strömt vom Sicherheitsventil-Nebensystem 132
durch ein wahlweise vorgesehenes Bakterienfilter 142 aus dem
Stand der Technik und einen Befeuchter 144 aus dem Stand der
Technik.
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Ein Temperaturfühler 146 ist im Sicherheitsventil 132 im Weg
des Atemgases enthalten, um ein Eingangssignal 148 zum
Mikrocomputerregler 38 vorzusehen. Der Temperaturfühler 146
ist wesentlich, weil der Mikrocomputerregler 38 sein Signal
148 benötigt und benutzt, um das Volumen des Gases zu
errechnen, das an den Patienten 12 unter den medizinisch
akzeptierten Bedingungen "Körpertemperatur, Druck, gesättigt"
abzugeben ist.
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Ein Druck-Umformer 150 ist betrieblich mit dem
Sicherheitsventil 132 verbunden, um ständig den Druck hierin zu
überwachen und um ein Eingangssignal 152, das eine Aussage über
den Druck liefert, an den Mikrocomputerregler 38 zu liefern.
Der Druck, der im Sicherheitsventil 132 vorliegt, wird
allgemein "Maschinendruck" genannt. Der Maschinendruck ist ein
wesentlicher Parameter des Beatmungsvorganges dahingehend,
daß er normalerweise nur geringfügig höher ist als der
proximale Druck des Patienten 12. Deshalb funktioniert der
Druckumformer 150 zur Sicherung und Überprüfung des
proximalen Druckumformers, der unten beschrieben ist.
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Die Wirkungsweise des Sicherheitsventil-Nebensystems 132
sollte ohne weiteres aus der vorangehenden Beschreibung und
der Überprüfung der Zeichnungen verständlich werden. Wenn
somit keine Antriebsluft vorliegt, macht das
Sicherheitsventil 132 auf, um eine Leitung durch die erste Auslaßöffnung
136 zur Umgebungsluft hin herzustellen. Unter diesen
Bedingungen ist der Patient 12 imstande, Umgebungsluft durch das
Sicherheitsventil 132 hindurch einzuatmen. Das
Ein-Wege-Rückschlagventil 140 hindert den Patienten 12 jedoch daran,
durch das Sicherheitsventil 132 hindurch auszuatmen. Wie
unten beschrieben, kann der Patient 12 ständig durch das
Ausatemventil des Atemgeräts 10 der vorliegenden Erfindung
ausatmen, selbst im Fall des Ausfalls elektrischen Stromes
oder einer anderen Systemstörung. Das
Ein-Wege-Rückschlagventil
140 hindert auch Wasserdämpfe daran, entgegen der
Strömungsrichtung von einem Befeuchter her in das System
einzudringen, der unten beschrieben wird.
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Das Atemgas strömt aus dem Befeuchter 144 in ein Y-Rohr 154,
das mit Einatemrohren (nicht gezeigt) des Patienten 12 und
mit dem Ausatemventil verbunden ist. In dem hier
beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Bakterienfilter
156 an der Leitung zwischen dem Leckage-/Ablaßventil 121 und
dem Y-Rohr 150 zwischengeschaltet.
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Der Druck, der im Y-Rohr 154 vorherrscht, oder in seiner
Nähe, ist in der Technik allgemein bekannt als "proximaler
Druck". Wie ohne weiteres vom Fachmann verstanden wird, ist
der proximale Druck ein sehr wesentlicher Parameter des
Atemgeräts 10 und des künstlichen Beatmungsprozesses. Der
proximale Druck wird ständig überwacht und auf einem
Druckmesser 158 angezeigt. Der proximale Druck wird auch von
einem Druckumformer 160 überwacht, der an die
Mikrocomputersteuerung 38 ein Eingangssignal 162 abgibt, das eine Aussage
über den proximalen Druck liefert.
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Das Ausatemventil 164, das mit dem Y-Rohr 154
(Patientenkreis) mittels einer Leitung verbunden ist, ist in dem
oberen rechten Teil der Fig. 1 und mit mehr baulichen
Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt. Das Ausatemventil 164 kann in
Übereinstimmung mit dem Stand der Technik aufgebaut sein,
wie in den Figuren der Zeichnung gezeigt. Ein Ausatemventil,
das besonders gut geeignet ist zur Verwendung im
Beatmungssystem 10 der vorliegenden Erfindung, ist im einzelnen in
einer noch anhängigen Anmeldung beschrieben, die am selben
Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, an
denselben Anmelder übertragen wurde und den Titel aufweist
"Geräuscharmes Ausatemventil für ein medizinisches
Atemgerät".
Die Beschreibung dieser noch anhängigen Anmeldung ist
durch die Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen.
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Das Ausatemventil 164 arbeitet als gesteuertes
Entlastungsventil. Somit hat es eine Einlaßöffnung 166, eine
Auslaßöffnung 168, die zu einem Kondensatabscheider 170 führt, und
eine zweite Auslaßöffnung 172 zu einer temperaturgesteuerten
Kammer 174. Die ausgeatmeten Gase oder Gase, die sonstwie
vom Patientenkreis her abgegeben werden, entweichen aus der
temperaturgesteuerten Kammer 174 zur Umgebungsluft durch
einen äußeren Strömungsumformer, der schematisch in Fig. 1
mit 176 bezeichnet ist. Der äußere Strömungsumformer 176
liefert an den Mikrocomputerregler 38 ein Eingangssignal
178, das eine Aussage über den Strömungsdurchsatz der Gase
liefert, die das System 10 verlassen. Die
temperaturgesteuerte Kammer 174 ist notwendig, weil, wie in der Technik
bekannt ist, die Temperatur des Strömungsumformers 176 zum
Verhindern von Kondensatbildung erhöht sein muß.
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Ein Ballonventil, das einen Ballon 180 und einen Ventilsitz
182 aufweist, ist im Ausatemventil 164 enthalten. Der Ballon
180 wird durch einen Steuerdruck gesteuert, der der
Innendruck im Ballon 180 ist. Wenn der Steuerdruck den Druck im
Ausatemventil 164 überschreitet, dann bläst sich der Ballon
180 auf und sitzt gegen den Ventilsitz 182 auf, um die
Strömung des Gases durch das Ausatemventil 164 zu sperren. Wenn
das Ventil 164 der Art angehört, die in der oben erwähnten,
ebenfalls anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Geräuscharmes
Ausatemventil für medizinisches Atemgerät" offenbart und
beansprucht ist, dann ist eine Platte 184 aus Aluminium oder
ähnlichem Material einstückig mit dem Ballon 180 so geformt,
daß sie gegen den Ventilsitz 182 aufsitzt und der Funktion
des Ventils zusätzlich Starrheit und Stabilität verleiht.
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Der Steuerdruck, der den Ballon 180 steuert, steuert den
proximalen Druck im System in dem Sinne, daß der proximale
Druck den Steuerdruck des Ballons 180 nicht übersteigen
kann. Der Aufbau des Steuerdruck-Steuerventils, das den
Steuerdruck des Ballons 180 steuert, ist ein neuartiger
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. In ähnlicher Weise
wird die Art und Weise, auf welche das
Steuerdruck-Steuerventil in das gesamte System 10 eingefügt ist und dort
funktioniert, als neuartig angesehen.
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Es wird nun in erster Linie auf die Fig. 2 und 3 Bezug
genommen; das Drucksteuer-Nebensystem 80 umfaßt gemäß der
Darstellung ein Ventilgehäuse 186, eine Einlaßöffnung 188, eine
erste Auslaßöffnung 190, eine zweite Auslaßöffnung 192 und
eine innere Leitung oder einen inneren Vorratsbehälter 194
für Luft. Die Einlaßöffnung 188 nimmt Antriebsluft oder
Systemluft [bei etwa 1,24·10&sup5; Pa (18 psig)] von dem
Antriebsventil 74 auf.
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Die Antriebsluft strömt von der Einlaßöffnung 188 durch eine
Düse 196, eine Engstelle 197 und eine Diffusorleitung 198.
Eine Kammer 200, die die Düse 196 umgibt, ist mit einer
anderen Leitung 202 zur inneren Leitung oder zum inneren
Vorratsbehälter 194 verbunden. In Abhängigkeit vom
Strömungsdurchsatz des Gases kann das Gas rund um den
Düsenumfang durch die Düsenströmung angetrieben werden, was eine
größere kombinierte Strömung verursacht, oder kann entgegen
der Düsenströmung strömen, was eine geringere Gesamtströmung
verursacht. Die Luftströmung geht von der Diffusorleitung
198 weiter durch ein Ventil, das einen Ventilsitz 204 und
eine Kugel 206 aufweist, bis zur inneren Leitung 194. Die
erste Auslaßöffnung 190 führt von der inneren Leitung 194
zur Umgebung. Die zweite Auslaßöffnung 192 ist in der
Luftströmung zwischen der Düse 196 einerseits und dem Ventilsitz
204 und der Kugel 206 andererseits angeordnet.
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Die Position der Kugel 206 relativ zum Ventilsitz 204 wird
durch eine Steuerstange 208 reguliert, die im Ventilgehäuse
186 zur Längsbewegung relativ zur Kugel 206 und zum
Ventilsitz 204 angebracht ist. Die Steuerstange 208 weist eine
Nocken-Mitnehmerlagerung 210 an ihrem Ende auf, das von der
Kugel 206 abgelegen ist. Der Nocken-Mitnehmer 210 läuft auf
einem asymmetrischen Nocken 212 ab, der an der drehbaren
Welle 214 eines dritten Schrittmotors 216 angebracht ist.
Der Nocken-Mitnehmer 210 wird gegen den Nocken 212 durch
eine Feder 218 angedrückt.
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Es sollte aus der vorangehenden Beschreibung und einer
Prüfung der relevanten Figuren der Zeichnung ersichtlich sein,
daß die Antriebsluft von der Einlaßöffnung 188 durch das
Ventilgehäuse 186 und die erste Auslaßöffnung 190 zur
Umgebung strömt. Der Strömungsdurchsatz der Luft durch den
Ventilkörper 186 hängt ab von der Positionierung der Kugel 206
relativ zum Ventilsitz 204. Der zweite Auslaßabschnitt 192,
mit welchem der Ballon 180 des Ausatemventils 164 verbunden
ist, ist lediglich eine statische Öffnung. Es liegt ein
wesentlicher Druckabfall in der Düse 196 vor, so daß der
Druck in der statischen Öffnung 192 beträchtlich niedriger
ist als der ankommende Druck von 1,24·10&sup5; Pa (18 psig) der
Antriebsluft. Höchst wesentlich vom Standpunkt der
vorliegenden Erfindung her ist es, daß der statische Druck in der
Diffusorleitung 198 und deshalb in der zweiten, statischen
Auslaßöffnung 192 vom Strömungsdurchsatz abhängt und deshalb
von der Lage der Kugel 206 relativ zum Ventilsitz 204. Der
statische Druck in der Auslaßöffnung 192 ist der Steuerdruck
für den Ballon 180 des Ausatemventils 164.
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In dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat die Blendenöffnung der Düse einen Durchmesser von
0,41 mm (0,016 Zoll). Diese Kurve des Drucks in der
statischen Öffnung über der Lage der Kugel ist nicht linear.
Tatsächlich ist es möglich, daß ein negativer Druck
(geringer als die Umgebung) in der statischen Öffnung 192
vorliegt, wenn das Ventil weit offen ist (die Kugel 206 weit
entfernt vom Ventilsitz 204). Eine genaue Eichkurve des
Steuerdrucks über der Kugellage wird in der Praxis der
vorliegenden Erfindung erhalten. Diese Kurve kann in Verbindung
mit der Funktion des Mikrocomputerreglers 38 benutzt werden,
der das Steuerdruck-Steuerventil führt. Im Betriebsbereich
des bevorzugten Ausführungsbeispiels variiert der Druck in
der statischen Öffnung 192 zwischen etwa 0 bis etwa 150 cm
Wassersäule (cm H&sub2;O).
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Noch weiter ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung der asymmetrische Nocken 212 auf eine
solche Weise aufgebaut, daß seine Ausbildung einen Ausgleich
für die fehlende Linearität der Zuordnung des Steuerdrucks
(Druck in der statischen Öffnung) gegenüber der Lage der
Kugel liefert. In anderen Worten, die Ausbildung des Nockens
212 führt zu einer im wesentlichen linearen Zuordnung des
Steuerdrucks gegenüber der Schrittlage des Schrittmotors.
Eine weitere Einstellung zum Erhalten einer im wesentlichen
linearen und gut definierten Zuordnung zwischen dem
Steuerdruck und der Schrittlage des Schrittmotors kann dadurch
vorgenommen werden, daß man die gesamte
Düsen-Engstellenanordnung nach innen oder außen bewegt (schraubt), bis ein
angestrebter Nullpunkt erreicht ist, und daß man die Größe
der Blende stromaufwärts von der Düse 196 einstellt.
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Der dritte Schrittmotor 216 wird vom Ausgang 220 des
Mikrocomputerreglers 38 gesteuert, um die Welle 214 zu drehen, um
die Steuerstange 208 und die Kugel 206 linear in die Lage zu
verbringen, die den gewünschten Druck in der statischen
Öffnung 192 liefert. Der Ausgang 220 des Mikrocomputerreglers
38 spricht an auf das Eingangssignal 162, das der
Mikrocomputerregler 38 von dem Umformer 160 für den proximalen Druck
erhalten hat.
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Im Speicher des Mikrocomputerreglers 38 ist eine
vorbestimmte Funktion des Drucks über der Zeit gespeichert. Diese
Funktion wird verwendet, um einen Druck-Bezugswert
vorzusehen, wenn das Atemgerät eine kontrollierte Atmung abgibt,
und zwar entweder zu vorgewählten Zeitintervallen oder in
Abhängigkeit von einem proximalen Druckabfall, der eine
Aussage über den Atmungsversuch durch einen Patienten liefert.
Wenn das Atemgerät eine "spontante" Atmung liefern soll
(eine, die vom Patienten initiiert und gesteuert wird), dann
liefert der Druck-Algorithmus, der im Speicher des
Mikrocomputers gespeichert ist, einen Druck-Bezugswert, der eine
Funktion von der augenblicklichen Anforderung des Patienten
ist, gemessen durch Änderungen im proximalen Druck. Die
gespeicherte Druckfunktion kann eine Funktion des proximalen
Drucks über der Zeit oder eine Funktion des Steuerdrucks
über der Zeit oder von beiden sein. In diesem Hinblick wird
darauf hingewiesen, daß der proximale Druck unter dem
Steuerdruck liegen kann. Wegen der speziellen Natur des
Ausatemventils 164 jedoch kann der proximale Druck den Steuerdruck
nicht überschreiten. Außerdem sollte darauf hingewiesen
werden, daß die Funktion des Steuerdrucks über der Zeit
verhältnismäßig einfach sein kann. Beispielsweise kann bei der
maschinengesteuerten Volumen-Beatmung der Steuerdruck
einfach für vorbestimmte Zeiträume zwischen Null und einem
konstanten Druckwert alternieren. Für die maschinengesteuerte
Volumen-Beatmung mit positivem Ausatmungs-Enddruck (PEEP)
kann der Steuerdruck zwischen einem höheren und einem
niedrigeren Druckwert alternieren, wobei der niedrigere der
PEEP-Druckwert ist. Außerdem wird der Fachmann ohne weiteres
erkennen, daß die vorgewählte Funktion des Steuerdrucks über
der Zeit (wie die Funktion des Strömungsdurchsatzes über der
Zeit) grundlegend unterschiedlich ist für die
maschinengesteuerte Atmung als für die nur unterstützte oder spontane
Atmung.
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Der Mikrocomputerregler 38 vergleicht den proximalen
Druckwert, der vom Eingang 162 des Druckumformers 160 abgeleitet
wurde, mit dem Steuerdruck-Bezugswert, der von der
gespeicherten Funktion des Drucks über der Zeit abgeleitet wird,
oder vom Druck-Algorithmus. Der Mikrocomputerregler 38
erzeugt dann ein Ausgangssignal 220, welches eine Aussage über
diese Differenz liefert und welches verwendet wird, um den
dritten Schrittmotor 216 zu steuern.
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Als eine Verfeinerung der vorangehenden Einstellung wird das
Ausgangssignal 220 verwendet, um den Schrittmotor 216
lediglich im nächsten Zyklus einzustellen. Dies ist erwünscht, um
eine Situation zu vermeiden, in welcher das
Strömungs-Steuer-Nebensystem 86 und das Druck-Steuer-Nebensystem 80
gegeneinander "kämpfen". In anderen Worten, es ist erwünscht,
eine Situation zu vermeiden, in welcher das Strömungs-
Steuer-Nebensystem 86 versucht, den Strömungsdurchsatz zum
Anheben des Drucks im System zu erhöhen und das Druck-
Steuer-Nebensystem 80 den übermäßigen Druck mißt und
versucht, ihn zu entlasten, indem es den Steuerdruck des
Ballons 180 senkt. Der Schrittmotor 216, der in dem hier
beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird,
hat 95 Schritte, die einer Bewegung von 0,026 Zoll der
Steuerstange 208 entsprechen.
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Als eine weitere Verfeinerung des Steuerdruck-Steuerventils
bei dem Beatmungssystem 10 der vorliegenden Erfindung ist
eine optische Scheibe 222 an der rotierenden Welle 214 des
dritten Schrittmotors 216 angebracht. Die optische Scheibe
222 ist tatsächlich ein nicht-transparentes oder opakes
Elements, das als Scheibensegment aufgebaut ist. Zwei optische
Fühler, die schematisch in Fig. 3 mit 224 und 226 bezeichnet
sind, sind neben der Welle 214 auf eine solche Weise
angebracht, daß der Lichtstrahl (nicht gezeigt) des einen
Fühlers in jeder der Endlagen der Welle 214 unterbrochen wird.
Keiner der Lichtstrahlen wird von der Scheibe 222 dann
unterbrochen, wenn sich die Welle 214 nicht in einer der
beiden Endlagen befindet.
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Die optischen Fühler 224 und 226 geben an den
Mikrocomputerregler 38 ein Signal 228 bzw. 230 ab, um anzuzeigen, daß die
Welle 214 eine jeweilige Endlage erreicht hat. Das Signal
226 oder 228 wird dann vom Mikrocomputerregler 38 verwendet,
um die Anzahl von Schritten zu errechnen, die erforderlich
ist, um den Schrittmotor 216 in die nächste gewünschte Lage
zu versetzen.
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Es wird nun wieder in erster Linie auf das Ausatemventil 164
Bezug genommen; es wird vermerkt, daß bei völliger
Abwesenheit des Steuerdrucks (wie etwa im Fall einer
Funktionsstörung des Systems) der Ballon 180 als
Ein-Weg-Rückschlagventil funktioniert. Der Ballon 180 gestattet es dem Patienten
12 nicht, durch das Ausatemventil 164 einzuatmen. Wenn der
Steuerdruck zum Ballon 180 hin wegen eines Systemausfalls
Null ist, dann atmet der Patient 12 durch das
Sicherheitsventil-Nebensystem 132 ein und atmet noch immer durch das
Ausatemventil 164 aus.
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Der Mikrocomputerregler 38 des Beatmungssystems der
vorliegenden Erfindung muß hier nicht detailliert beschrieben
werden. Die oben beschriebenen Funktionen des
Mikrocomputerreglers 38 können unter Führung einer geeigneten Software durch
einen Allzweck-Computer oder -Mikroprozessor und die
zugeordneten elektronischen Einrichtungen aus dem Stand der
Technik bewirkt werden. Die Software kann vom Fachmann auf
der Grundlage der obigen Beschreibung und der funktionellen
Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung erzeugt werden.
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Die ebenfalls anhängige Stamm-Patentanmeldung Nr. 200 737
beschreibt und beansprucht ein Beatmungssystem, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Drucksteuereinrichtung eine
Venturi-Düseneinrichtung aufweist, um das Druckgas aus der
zweiten Quelle aufzunehmen, und eine Auslaßöffnung hat,
wobei ein Gasstrom durch die Venturi-Düseneinrichtung strömt,
und wobei die Venturi-Düseneinrichtung ferner eine Öffnung
für statischen Druck aufweist, die die
Ausatem-Ventileinrichtung mit einem Steuerdruck speist, sowie eine
einstellbare Ventileinrichtung zum Regulieren des Gases zur
Auslaßöffnung, und wobei die einstellbare Ventileinrichtung von
dem Steuersignal gesteuert wird, das von der
Computereinrichtung erzeugt wird, um den Steuerdruck zu regulieren.