AT9689U1 - Verfahren zum bereitstellen von gasgemischen für beatmungsgeräte sowie vorrichtung zur durchführungdieses verfahrens - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen von Gasgemischen für Beatmungsgeräte, bei welchem eine Mehrzahl von voneinander verschiedenen Gasen über Schaltventile einer Mischkammer zugeführt wird, wobei die Schaltventile getaktet geöffnet und geschlossen werden, und der Druck in der Mischkammer überwacht wird sowie auf eine entspre-5 chende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zur Herstellung eines Gasgemisches werden bei derartigen Verfahren elektronisch angesteuerte Schaltventile eingesetzt, welche getrennt voneinander die Durchflussmenge der Eingangsmedien regeln und anschließend eine Mischkammer befüllen. Abhängig von der durch den io Schaltalgorithmus bestimmten Taktung der Schaltventile werden die Durchflussmengen der Eingangsmedien geregelt. Dadurch ergibt sich in der Mischkammer ein definiertes Mischungsverhältnis der Gase, bei einem ebenfalls definierten Druck.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Vorrichtung sind bei-15 spielsweise der US 4 576 159 zu entnehmen. Bei diesem bekannten Verfahren werden Schaltventile eingesetzt, welche jeweils gepulst betrieben werden. Da durch den pulsierenden Betrieb der Schaltventile ein hohes Maß an Druckschwankungen auftritt, wurde hier vorgeschlagen die jeweils über die Ventile geleiteten Gasströme einem Windkessel zuzuführen, in welchem der Druck vergleichmäßigt und entsprechend überwacht wurde. Zu diesem Zweck konnte im Wind-20 kessel eine elastische Membran vorgesehen sein oder aber ein Ventil zur Druckkonstanthaltung angeordnet werden, wobei der Windkessel als Mischkammer diente und in erster Linie Fluktuationen der Gasdrücke eliminieren sollte.

Weitere bekannte Vorrichtungen, bei welchen die Schaltfrequenz von Schaltventilen beeinflußt 25 wurde, sind beispielsweise der US 3 626 963 zu entnehmen. Der US 3 895 642 ist die Verwendung von Differenzdruckventilen zur Erzielung des gewünschten Mischungsverhältnisses zu entnehmen, wobei schließlich die US 4 380 233 ein Beatmungsgerät mit einer speziellen Schaltungsanordnung für den Betrieb von Magnetventilen angibt, mit welchen neben der Schaltfrequenz für die gepulsten Ventile auch das Verhältnis der Einatmungs- und der Ausatmungszeit 30 voreingestellt werden konnte.

Alle bekannten Vorrichtungen dienen dazu ein Gemisch aus zwei Gaskomponenten, und insbesondere von Sauerstoff und Druckluft, mit einem wählbaren Mischungsverhältnis und einem, wenn möglich, wählbaren Druck bereit zu stellen. Bei modernen Jet-Beatmungsgeräten zur Jet-35 Ventilation muss ein wesentlich höherer Arbeitsdruck bzw. Abstrahldruck eingesetzt werden, um einen ausreichenden Gasaustausch in der Lunge des Patienten zu gewährleisten. Abstrahldrücke sind hier in der Regel in der Größenordnung von bis zu 4 bar erforderlich, wobei die bekannten Systeme, die mit Proportionalventilen oder Schaltventilen arbeiten, üblicher Weise in einem ersten Arbeitsschritt die Gaskonzentration regeln und erst anschließend in einem weite-40 ren Arbeitsschritt den gewünschten Arbeitsdruck einer Regelung unterziehen. Derartige Systeme liefern in der Regel für eine Jet-Ventilation nur unzulängliche Druckkonstanz und in aller Regel auch nur einen zu geringen Gasfluss. Die Flowcharakteristik ist zumeist stark vom eingestellten Mischungsverhältnis abhängig, was bedeutet, dass mit der Sauerstoffkonzentration sich auch der Ausgangsdruck und damit eine Reihe weiterer Einstellparameter des Beatm ungsgerä-45 tes ändern.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, jeweils unabhängig von dem voreingestellten Mischungsverhältnis und der sich jeweils ändernden Entnahmemenge konstante Misch- und Druckverhältnisse zu gewährleisten, um einen entsprechend hohen Fluss bei entsprechend hohem Druck so einem Jet-Beatmungsgerät zuführen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen darin, dass die voneinander verschiedenen Gase jeweils über eine Mehrzahl von parallel angeordneten Schaltventilen geführt werden und die Steuerung der Schaltventile derart erfolgt, dass eine 55 einem groben Mischungsverhältnis der Gase entsprechende Anzahl von jeweils voneinander 3 AT 009 689 U1 verschiedenen Gasen zugeordneten Schaltventilen synchron geöffnet und geschlossen wird. Dadurch, dass für unterschiedliche Gase, wie beispielsweise Sauerstoff und Luft, jeweils eine Mehrzahl von Ventilen parallel angeordnet ist, gelingt es, durch Wahl der entsprechenden Anzahl der jeweils zu öffnenden Ventile ein gewünschtes Mischungsverhältnis grob und weiters 5 auch die gewünschte Durchflussmenge zu gewährleisten. Diese jeweils der Grundeinstellung dienenden Ventile bzw. Ventilgruppen können entsprechend synchron getaktet betrieben werden, wobei die jeweiligen Gasströme der Mischkammer zugeführt werden. Die Mischkammer erhält somit unmittelbar die gewünschte Gasmasse in der Zeiteinheit sowie die jeweiligen Gasströme in dem gewünschten Mischungsverhältnis. Um nun eine Feinanpassung an das ge-io wünschte Mischungsverhältnis sicherzustellen, ohne hierbei eine jeweils vorgegebenen Durchflussmenge zu beeinträchtigen, ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil so weitergebildet, dass wenigstens ein weiteres der Anpassung an ein definiertes Mischungsverhältnis dienendes Schaltventil im Vergleich zu anderen weiteren Schaltventilen asynchron geöffnet und geschlossen wird, wobei die Summe der jeweils geöffneten weiteren Ventile konstant gehalten 15 wird. Dieses weitere Ventil bzw. diese weiteren Ventile werden nun asynchron betrieben, so-dass dann, wenn beispielsweise ein Ventil in der Sauerstoffleitung geschlossen wird, ein Ventil in der Luftleitung bzw. einer weiteren Gasleitung geöffnet wird. Als Ergebnis dieses alternierenden Betriebes ergibt sich, dass die Gasdurchflussmenge insgesamt konstant gehalten werden kann und dennoch das gewünschte Mischungsverhältnis entsprechend exakt eingestellt werden 20 kann. Mit Vorteil wird hiefür so vorgegangen, dass die Gesamtzahl der jeweils geöffneten Ventile in Abhängigkeit von der gewünschten Durchflussmenge gewählt und konstant gehalten wird. Die jeweils getaktet bzw. gepulst betriebenen Schaltventile können entsprechend den Erfordernissen der Druckregelung gepulst betrieben werden, wobei der Druck selbst einer Zweipunktregelung in konventioneller Weise unterworfen werden kann und die entsprechenden Steuersig-25 nale unmittelbar den Schaltventilen zur Verfügung gestellt werden können. Über eine Drossel kann Gas abgezweigt werden und einer Gasanalyse zugeführt werden, wodurch kontinuierlich das Mischverhältnis überprüft wird und eine Qualitätskontrolle ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist im wesentlichen 30 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Anschluss für eine Gasleitung und einer Mischkammer eine Mehrzahl von getaktet offen- und schließbaren Schaltventilen eingeschaltet ist und dass die Schaltventile mit einem Steuergerät und einem Taktgeber verbunden sind, dessen Taktfrequenz bzw. Steuersignale zum Öffnen und Schließen der Schaltventile in Abhängigkeit von Vorgaben für das Mischungsverhältnis der Gase und der gewünschten Durchflussmenge 35 für einzelne Ventile im gleichen Gasweg gesondert verstellbar sind. Um die entsprechende Druckkonstanz und die entsprechenden Mischungsverhältnisse bei entsprechend hoher Durchflussmenge zu gewährleisten, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass in jedem Gasweg wenigstens drei, vorzugsweise vier, Ventile parallel zueinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Mischkammer als Druckkessel ausgebildet ist, deren Druck von wenigstens 40 einem Sensor überwacht ist, dessen Sensorsignale dem Steuergerät zu einer Druckregelung zugeführt ist. Für die Zwecke einer Qualitätskontrolle ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass in wenigstens einem Gasweg eine Drossel zu einer Zweigleitung geführt ist, an welche ein Gasana-45 lysegerät anschließbar ist.

Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine Einrichtung, bei welcher die entsprechende Druck-, Durchflussmengen- und Mischungskonstanz in einem Arbeitsgang voreingestellt werden kann, sodass eine wesentlich kleinere Mischkammer zur Vergleichmäßi-50 gung der Druckspitzen zum Einsatz gelangen kann. Das Mischverhältnis kann mit höherer Genauigkeit mit einer Abweichung unter 1% vom Sollwert eingestellt werden, wobei bei kurzzeitiger Maximalentnahme eine entsprechende Pufferung in der Mischkammer gewährleistet werden kann. 55 Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten 4 AT 009 689 U1

Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm für die Schaltzeiten der Ventile zur Einstellung des gewünschten Mischungsverhältnisses und Fig. 3 eine modifizierte und ergänzte Darstellung entsprechend der Fig. 2, bei welcher auch der Druckverlauf und damit die Druckre-5 gelung über eine Mehrzahl von Schaltzyklen dargestellt ist.

In Fig. 1 ist mit 1 die Pressluftkupplung und mit 2 die Sauerstoffkupplung der entsprechenden Gasversorgung eines Krankenhauses schematisch angedeutet. Den jeweiligen Kupplungen sind jeweils Druckregler 3 nachgeschaltet, wobei die entsprechenden Drucksensoren mit 4 io bezeichnet sind. In die jeweiligen Gaswege 5 und 6 sind jeweils eine Mehrzahl von Ventilen parallel geschaltet angeordnet, wobei bei der Darstellung nach Fig. 1 jeweils vier Ventile vorgesehen sind, welche im Fall des Luftweges als VL1 bis VL4 bezeichnet sind und im Fall des Sauerstoffweges als V01 bis V04 eingezeichnet sind. Alle diese Ventile sind als getaktet öffen-und schließbare Ventile ausgebildet und werden von einem nicht näher dargestellten Impulsge-15 ber jeweils geöffnet und geschlossen. Der jeweilige Summenausgang der Gasleitungen 5 und 6 wird über eine Leitung 7 zusammengeführt und einer Mischkammer 8 zugeführt. Die Mischkammer 8 kann relativ klein bauen, wobei die jeweils mit hohem Druck und in entsprechender Menge zugeführten Gase zur besseren Verwirbelung auch voneinander getrennt und tangential in die Mischkammer eingeführt werden können. Die Mischkammer selbst verfügt über einen 20 Drucksensor 9, über welchen der jeweils obere oder untere Druckwert für die Zweipunktregelung eingestellt ist. Mit 10 ist eine Drossel bezeichnet, über welche Gas einem Sauerstoffsensor 11 zur Analyse des Gases zugeführt wird. Das Gemisch wird über die Leitung 12 dem Beatmungsgerät zugeführt. 25 Bei der Darstellung nach Fig. 2 ist nun ein Diagramm ersichtlich, in welchem eine mögliche Betriebsweise bei jeweils vier Ventilen für den Sauerstoff- und den Luftweg schematisch dargestellt ist. Das Sauerstoffventil V01 wird ebenso wie die beiden Luftventile VL1 und VL2 über den gesamten Zeitraum von T1 bis T0 geöffnet. Bei gleicher Schaltfrequenz und gleichen Durchflussquerschnitten ergibt sich ein Mischungsverhältnis von LufLSauerstoff von 2:1, wobei 30 mit T1 die Einschaltzeit und mit T0 die jeweilige Abschaltzeit angedeutet ist. Für eine Feineinstellung des Mischungsverhältnisses sind zusätzliche Ventile V02 und VL3 vorgesehen, welche nunmehr alternierend geöffnet und geschlossen werden, d.h. asynchron betrieben werden, sodass insgesamt jeweils von T1 bis T0 diejenige Durchflussmenge durchgeführt wird, welche einem weiteren Ventil entsprechen würde, da ja die beiden Ventile V02 und VL3 zum Zeitpunkt 35 t1 umgeschaltet werden, sodass jeweils immer nur ein Ventil geöffnet ist. Der Zeitraum des Ventilwechsels ergibt eine entsprechende Feineinstellung des Mischungsverhältnisses, und insbesondere der gewünschten Sauerstoffkonzentration im Luft-Sauerstoff-Gemisch.

Bei der Darstellung nach Fig. 3 ist nun zusätzlich über die jeweiligen Schaltzeitpunkte der un-40 terschiedlichen Ventile V01, V02 sowie VL1, VL2 und VL3 der entsprechende Druckverlauf ersichtlich. Zum Einschaltzeitpunkt T1 befindet sich der Druck auf dem unteren Grenzwert p1 und steigt im Verlauf des Einschaltzyklus, in welchem auch die jeweiligen Ventilwechselzeitpunkte t1 und t2 für die Umschaltung von Ventilen liegen, bis zu einem Druck p2 an, worauf zu diesem Zeitpunkt T0 eine Abschaltung erfolgt bis der Druck jeweils wieder von p2 auf p1 abge-45 sunken ist. In der Folge werden entsprechend verschoben wiederum von T1 bis T0 Druckwerte zwischen p1 und p2 erzielt, wobei nunmehr drei Schaltwechselzeitpunkte t1, t2 und t3 beobachtet werden, um insgesamt die gewünschte Konstanz sowie das gewünschte Mischungsverhältnis bei gleicher Masse in der Zeiteinheit zu gewährleisten. so Die Schaltventile V01 bis V04 bzw. VL1 bis VL4 füllen jeweils die Mischkammer mit dem gewünschten Gemisch auf, wobei sobald die obere Druckgrenze in der Mischkammer erreicht ist, alle Ventile geschlossen werden. Sobald der Druck auf die untere Druckgrenze fällt, werden die jeweils entsprechenden Ventile wieder geöffnet, womit eine Zweipunktregelung verwirklicht wird. Die Anzahl der verwendeten Schaltventile für Luft und Sauerstoff gibt ein grobes Misch-55 Verhältnis vor, wobei zusätzlich durch das kurzzeitige hin- und herschalten wenigstens eines

Claims (8)

1. 5 AT 009 689 U1 Luft- und eines Sauerstoffventils die Mischung verfeinert werden kann, wobei in der Mischkam-mer die resultierende Sauerstoffkonzentration mit hoher Genauigkeit von unter + /- 1 Gew.% eingestellt werden kann. 5 Die zentrale Gasversorgung eines Krankenhauses liefert Luft und Sauerstoff üblicher Weise mit Drücken zwischen 4 und 10 bar, wobei über einen Eingangsdruckregler die jeweiligen Betriebsdrücke zumeist auf 4,5 bis 5 bar eingestellt werden. Auch dann, wenn beispielsweise nicht sichergestellt werden kann, dass eine zentrale Gasversorgung eines Krankenhauses 4,5 bis 5 bar oder mehr erreicht, lassen sich mit Einschränkungen, wie beispielsweise reduziertem io Flow bzw. Abstrahldruck, immer noch sichere Betriebsweisen erzielen, wobei für eine optimale Luft-Sauerstoffmischung die Betriebsdrücke nach den Eingangsdruckreglern für Luft und Sauerstoff exakt gleich sein sollen. In der Mischkammer wird die Sauerstoffkonzentration über einen Sauerstoffsensor, der über 15 eine regelbare Drossel Druckregler an die Mischkammer angebunden ist, gemessen. Die Regelung erfasst Signale aller angeführten Sensoren und insbesondere auch die Signale der Sensoren 4 der Eingangsregler 3, um auf unterschiedliche Betriebsdrücke in der Gasversorgung Rücksicht nehmen zu können. Bei nicht symmetrischen Drücken in der Luft- bzw. Sauerstoffleitung können Druckunterschiede von bis zu 1 bar durch entsprechende Beeinflussung der Takt-20 frequenzen bzw. Öffnungszeiten der jeweiligen Ventile VL1 bis VL4 bzw. V01 bis V04 kompensiert werden. Ansprüche: 25 1. Verfahren zum Bereitstellen von Gasgemischen für Beatmungsgeräte, bei welchem eine Mehrzahl von voneinander verschiedenen Gasen über Schaltventile einer Mischkammer zugeführt wird, wobei die Schaltventile getaktet geöffnet und geschlossen werden, und der Druck in der Mischkammer überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander 30 verschiedenen Gase jeweils über eine Mehrzahl von parallel angeordneten Schaltventilen geführt werden und die Steuerung der Schaltventile derart erfolgt, dass eine einem groben Mischungsverhältnis der Gase entsprechende Anzahl von jeweils voneinander verschiedenen Gasen zugeordneten Schaltventilen synchron geöffnet und geschlossen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres der Anpassung an ein definiertes Mischungsverhältnis dienendes Schaltventil im Vergleich zu anderen weiteren Schaltventilen asynchron geöffnet und geschlossen wird, wobei die Summe der jeweils geöffneten weiteren Ventile konstant gehalten wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtzahl der jeweils geöffneten Ventile in Abhängigkeit von der gewünschten Durchflussmenge gewählt und konstant gehalten wird.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 45 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Anschluss (1, 2) für eine Gasleitung und einer Mischkammer (8) eine Mehrzahl von getaktet offen- und schließbaren Schaltventilen (VL1, VL2, .... V01, V02, ...,) eingeschaltet ist und dass die Schaltventile (VL1, VL2, ..., V01, V02, ...) mit einem Steuergerät und einem Taktgeber verbunden sind, dessen Taktfrequenz bzw. Steuersignale zum Öffnen und Schließen der Schaltventile in Abhängigkeit so von Vorgaben für das Mischungsverhältnis der Gase und der gewünschten Durchfluss menge für einzelne Ventile im gleichen Gasweg gesondert verstellbar sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz bzw. die Steuersignale derart verstellbar sind, dass eine einem groben Mischungsverhältnis der Ga- 55 se entsprechende Anzahl von jeweils voneinander verschiedenen Gasen zugeordneten g AT 009 689 U1 Schaltventilen (VL1, VL2, V01) synchron geöffnet und geschlossen werden kann.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Gasweg wenigstens drei, vorzugsweise vier, Ventile (VL1, VL2, VL3, VL4; V01, V02, V03, V04) 5 parallel zueinander angeordnet sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (8) als Druckkessel ausgebildet ist, deren Druck von wenigstens einem Sensor (9) überwacht ist, dessen Sensorsignale dem Steuergerät zu einer Druckregelung zugeführt ist. 10
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Gasweg eine Drossel (10) zu einer Zweigleitung geführt ist, an welche ein Gasanalysegerät (11) anschließbar ist. 15 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 20 25 30 35 40 45 50 55