DE69207635T2

DE69207635T2 - Wandler, insbesondere zum Gebrauch in Atmungsgerät

Info

Publication number: DE69207635T2
Application number: DE69207635T
Authority: DE
Inventors: Kenneth H Ball
Original assignee: Chad Therapeutics Inc
Current assignee: Chad Therapeutics Inc
Priority date: 1991-04-16
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: EP0509798A2; JPH0824716B2; ES2084934T3; JPH07124259A; US5134886A; EP0509798A3; EP0509798B1; DE69207635D1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft kapazitive Druckwandler und speziell einen solchen Wandler zur Verwendung in einem Atmungsgerät, der ein elektrisches Steuersignal erzeugt zum Steuern der Zuführung eines Gases, beispielsweise Sauerstoff, zu einem Patienten in Abhängigkeit von den Einatmungszyklen eines solchen Patienten.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Es wurde ein Atmungsgerät gemäß dem Stand der Technik entwickelt, das auf die Atmungszyklen des Patienten anspricht und das in Abhängigkeit von den Atmungszyklen Sauerstoff liefert. In solchen Vorrichtungen werden die Atmungszyklen im allgemeinen durch einen Druckwandler erfaßt, der entsprechend der Atmung ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Ein solches Gerät ist in dem an Tiep et al. am 23. September 1986 erteilten US-Patent Nr. 4 612 928 beschrieben. Andere derartige Geräte sind in den im Patent von Tiep zitierten verschiedenen Druckschriften beschrieben. Die in solchen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik verwendeten Druckwandler arbeiten im allgemeinen in Abhängigkeit sowohl von der Einatmung als auch der Ausatmung des Patienten. Da Sauerstoff nur entsprechend dem Einatmungsbedarf des Patienten zugeführt werden muß, ist die Eingangsgröße der Ausatmung ohne Belang, und es wurde gefunden, daß sie die Genauigkeit des Steuersignals zum Bewirken der Sauerstoffzufuhr verringern kann. Das ist insbesondere im Falle von kapazitiven Wandlern bedeutend im Hinblick auf die Tatsache, daß die Membran, die eine der kapazitiven Platten des Wandlers bildet, bei der Ausatmungsphase des Atmungszyklus von ihrer neutralen Stellung weg getrieben wird und derart verspätet in diese Stellung zurückkehren kann, daß dies vom System als eine Einatmung angesehen wird.
GB-A-2 149 166 offenbart ein Gerät zur Überwachung der spontanen Atmung eines ein Atmungsgerät benutzenden Patienten. Zwei mit Luft gefüllte Druckwandler sind mit einem Differenzdruck-Wandler verbunden und derart angeordnet, daß ein Wandler beim Einatmen ein negatives Signal abgibt, während der andere Wandler ein positives Signal abgibt.
US-A-4 815 472 offenbart ein Kathetersystem mit Mehrstellen-Druckerfassung, das einen kapazitiven Druckwandler einschließt, der auf Druckänderungen anspricht, die durch die Membran des Wandlers erfaßt werden.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein kapazitiver Druckwandler für ein Atmungsgerät vorgesehen, der eine erste Kondensatorplatte und eine zweite Kondensatorplatte aufweist, die aus einer Referenzposition in eine erste Richtung bewegbar sind in Abhängigkeit von einer Druckabnahme während des Einatmungsteus des Atmungszyklus, wobei die zweite Kondensatorplatte im wesentlichen in der Referenzposition verbleibend gehalten ist in Abhängigkeit von einer Druckzunahme während des Ausatmungsteus des Atmungszyklus, so daß sie eine Kapazitätsänderung nur während des Einatmungsteils des Atmungszyklus liefert.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Atmungsgerät vorgesehen mit einer Gaszufuhr zum Zuführen von Gas zu einem Patienten, einem kapazitiven Druckwandler zum Erfassen der Atmungszyklen des Patienten gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei die Bewegung der zweiten Kondensatorplatte aus der Referenzposition heraus während des Einatmungsteils des Atmungszyklus zum Erzeugen eines Steuersignals dient und die Vorrichtung auf das Steuersignal ansprechende Steuermittel zum Steuern der Gaszufuhr zu dem Patienten aufweist, wobei das Steuersignal in Funktion der Druckschwankungen während des Einatmungsteils des Atmungszyklus variiert, aber während des Ausatmungsteils des Atmungszyklus trotz der Druckänderungen auf einem im wesentlichen konstanten Wert bleibt.
Der durch den Wandler gebildete Kondensator ist in einer elektrischen Schaltung in Reihe mit einer Schwingungsspannung verbunden, so daß die Amplitude einer solchen Spannung entsprechend der Einatmung der Atmungszyklen verändert (moduliert) ist im Hinblick auf die Kapazitätsänderung und des kapazitiven Blindwiderstands in Abhängigkeit auf Druckänderungen, die durch die Eintamungszyklen der Atmung des Patienten induziert werden.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, einen genaueren Druckwandler zur Anwendung in einem Atmungsgerät zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen kapazitiven Druckwandler zur Anwendung in einem Atmungssystem vorzusehen, der nur auf Einatmungszyklen reagiert.
Weitere Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1A eine zeichnerische Darstellung des Atmungs- Druckeingangsignals, das durch das Atmen erzeugt wird;
Fig. 1B eine zeichnerische Darstellung der Funktion von Wandlern nach dem Stand der Technik;
Fig. 1C eine zeichnerische Darstellung der Funktion des Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine auseinandergezogene Vorderansicht im Querschnitt der bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 3A eine Querschnittsansicht der bevorzugten Ausführungs form;
Fig. 4 eine schematische elektrische Zeichnung, die die Funktion des Wandlers gemäß der Erfindung veranschaulicht; und
Fig. 5A-5E eine Reihe von auf die Zeichnung der Fig. 4 bezogenen Singalformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Mit Bezug auf die Fig. 1A-1C sind Signalverläufe gezeigt, die die Funktion der Erfindung veranschaulichen. Die Fig. 1A zeigt den Druckeingang in einen Druckwandler in Abhängigkeit der Atmung eines Patienten. Wie ersichtlich, ist die Druckänderung annähernd sinusförmig, wobei die Einatmungsteile des Atmungszyklus einen Unterdruck (Ansaugen) und die Ausatmungsteile des Atmungszyklus einen Überdruck erzeugen.
Mit Bezug auf die Fig. 1B sind die Änderungen der Kapazität in einem Druckwandler des Stands der Technik dargestellt, die in Abhängigkeit von den in der Fig. 1A gezeigten Atmungszyklen erzeugt werden. Wie ersichtlich, nimmt die Kapazität der Wandlerausgangsgröße in Abhängigkeit von der Einatmung zu und in Abhängigkeit von der Ausatmung ab. Es ist anzumerken, daß dieser Wandler nach dem Stand der Technik eine auf die Atmungszyklen ansprechende, elektrisch leitfähige Membran verwendet, die während des Einatmens näher an eine feststehende leitfähige Platte gezogen und während des Ausatmens von dieser feststehenden Platte weggetrieben wird, wobei die Membran und die Platte die Platten eines Kondensators bilden.
Mit Bezug auf die Fig. 1C wird die Funktionsweise der Erfindung veranschaulicht. Wie ersichtlich, reagiert die Vorrichtung gemäß der Erfindung nur auf die Einatmungszyklen und nicht auf die Ausatmungszyklen. Deshalb ist eine Ausgangsgröße des Wandlers, die eine Zunahme der Kapazität und eine Senkung des kapazitiven Blindwiderstands widerspiegelt nur während der Einatmung des Patienten vorhanden. Wie vorstehend dargelegt, ermöglicht dies die Bereitstellung einer sehr viel günstigeren Zufuhr von Sauerstoff (oder Gas) zu dem Patienten.
Mit Bezug auf die Fig. 2, 3 und 3A ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Eine obere Platte 11, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, hat in der Mitte ihrer Unterseite eine Metallscheibe 11a geformt, wobei dieses Endergebnis typischerweise erzielt wird durch Verwendung einer kupferbeschichteten gedruckten Leiterplatte für die Platte 11 und vollständiges Wegätzen mit Ausnahme des Scheibenteils. Ein Entlüftungsloch 11b ist durch die Platte 11 und die Scheibe 11a geformt, um die Oberseite der Membran bei athmosphärischem Druck zu halten. Eine Klebmittelschicht 12 ist zwischen die Unterseite der Platte 11 und die Membran 14 gelegt. Die Schicht 12, die aus dem von Minnesota, Mining and Manufacturing Corp. erhältlichen Klebstoff Nr. 9491 gebildet sein kann, weist eine darin geformte mittlere, kreisförmige Öffnung 12a auf, die den gleichen Durchmesser wie die Öffnungen 18a und 22a hat. Die Klebmittelschicht 12 weist die gleiche Dicke wie die Scheibe 11a auf (typischerweise in der Größenordnung von 0,002 Zoll). Die Klebmittelschicht 12 wirkt somit sowohl als Abstandsstück als auch als Bindemittel zum Verbinden der Membran 14 mit der Platte 11.
Die Abstandsplatte 17 hat eine Öffnung 17a, die in deren Mitte ausgebildet ist, die annähernd den gleichen Durchmesser wie der der Scheibe 11a (typischerweise 1,1 Zoll) aufweist. Die Abstandsplatte 17, die aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Polycarbonatplast, hergestellt ist, hat typischerweise eine Dicke von etwa 0,01 Zoll. Die Abstandsplatte 17 ist mit der Unterseite der Membran 14 mit Hilfe der Klebmittelschicht 18 verbunden, die aus dem gleichen Material und der gleichen Dicke wie die Klebmittelschicht 12 sein kann. Die Klebmittelschicht 18 weist eine kreisförmige Öffnung 18a auf, die in deren Mittelabschnitt ausgebildet ist, die mit der Öffnung 17a der Abstandsplatte 17 zusammenpaßt. Die Membran 14 ist sorgfältig zwischen den gegenüberliegenden Klebmittelschichten befestigt, um zu gewährleisten, daß sie flach dazwischen liegt. Die Membran besteht aus einem nicht leitfähigen Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat, mit einer Dicke, die typischerweise etwa 0,0005 Zoll beträgt. Die obere Fläche der Membran, die der oberen Platte 11 zugewandt ist, ist mit einem Werkstoff, beispielsweise Nickel, metallisiert, um eine der Kondensatorplatten des Wandlers zu bilden.
Die untere Platte 19 ist eine der oberen Platte 11 ähnliche gedruckte Leiterplatte. Die Kupferbeschichtung dieser Platte ist geätzt, um eine mittlere Scheibe 19a und eine äußere Platte 19b mit einem kreisförmigen Raum 19c dazwischen zu bilden. Es ist eine durch die Platte 19 und die Scheibe 19a verlaufende Öffnung 20 vorgesehen, und ein Druckeinlaßrohr 25 zur Aufnahme des Atmungsdrucks eines Patienten ist in dieser Öffnung befestigt. Ein elektrischer Verbinder 21 ist an der Platte 19 befestigt, wobei dieser Verbinder ein Paar elektrischer Zuleitungen 21a und 21b aufweist, die mit der Scheibe 19a bzw. der äußeren Platte 19b verbunden sind. Die Platte 19 ist mit Hilfe der den Klebmittelschichten 12 und 18 ähnlichen Klebemittelschicht 22 mit der Abstandsplatte 17 verbunden, die eine kreisförmige Öffnung 22a aufweist, die in deren mittleren Abschnitt ausgebildet ist.
Es ist anzumerken, daß bei der Vorrichtung gemäß in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zwar flache Platten, die mit Hilfe von Klebmittelschichten miteinander verbundenen sind, verwendet werden, die Vorrichtung aber auch in der Weise hergestellt werden kann, daß dünne Bleche aus elektrisch leitfähigem Material verwendet werden, die durch Schrauben, Nieten oder andere Befestigungsmittel miteinander verbunden sind.
Mit Bezug auf Fig. 4 und 5 ist eine elektrische Schaltung zum Erzeugen eines Steuersignals von der Ausgangsgröße des Wandlers der Erfindung zusammen mit Signalformen dargestellt, die in einer solchen Schaltung erzeugt werden.
Das Ausgangssignal des Trägerwellengenerators 30, der ein Rechteckwellengenerator sein kann und typischerweise eine Frequenz von 200-600 kHz aufweist, wird der Platte 19b des Wandlers zugeführt. Zwischen der Platte 19b und den gegenüberliegenden Abschnitten der Membran 14 tritt eine unveränderliche Kapazität auf. Diese Kapazität verknüpft den Ausgang des Rechteckwellengenerators mit der Membran. Ein veränderbarer Kondensator ist zwischen der Scheibe 19a und den gegenüberliegenden, mittleren Abschnitten der Membran ausgebildet. Die mittleren Abschnitte der Membran können sich frei in Richtung der Scheibe 19a in den Hohlraum 17a bewegen, der in der Abstandsplatte 17 ausgebildet ist. Die Membran kann sich durch die Metallscheibe 11a und durch die gegenüberliegenden Abschnitte der Klebmittelschicht 12 nicht aus ihrer mittleren Position in Richtung der Platte 11 bewegen. Deshalb kann sich die Membran nur in Abhängigkeit vom Saugdruck bewegen, der durch Einatmung induziert wird, und kann sich nicht aus ihrer neutralen Position in Abhängigkeit von dem durch Ausatmung induzierten Druck wegbewegen.
Fig. 5A veranschaulicht schematisch das durch den Generator 30 erzeugte Rechteckwellensignal, ohne daß ein Druckeingangssignal zu dem Wandler zur Veränderung der Kapazität des zwischen der Membran und der Scheibe 19a gebildeten Kondensators vorliegt. Fig. 5B veranschaulicht schematisch eine Modulation oder Amplitudenänderung des Rechteckwellensignals infolge der Kapazitätsänderungen des einstellbaren Kondensators in Abhängigkeit von einem durch die Einatmung induzierten Eingangsdruck. Die einzelnen Rechteckwellen, wie es in der Fig. 5D dargestellt ist, werden differenziert, um scharfe Impulse zu formen, wie in Fig. 5E gezeigt. Diese Differenzierung wird durch die Differenzierschaltung bewirkt, die durch den Festkondensator und den einstellbaren Kondensator sowie den Widerstand 32 erzeugt ist. Die ins Negative gehenden Abschnitte dieses differenzierten Signais werden durch die Diode 31 abgeschnitten, und dieses Signal wird in der durch den Widerstand 33 und den Kondensator 35 gebildeten Integrationsschaltung integriert, um eine veränderliche Gleichstrom-Ausgangsgröße "C" zu erzeugen, wie in Fig. 5C dargestellt.
Auf diese Art und Weise wird ein Gleichstrom-Ausgangssignal erzeugt, das nur den Einatmungsteilen des Atmungszyklus entspricht und keine Ausgangsgröße in Abhängigkeit von der Ausatmung aufweist.
Während die Erfindung im Detail beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, daß dies nur als Beispiel gedacht ist und nicht als Einschränkung aufgefaßt werden soll, wobei der Umfang der Erfindung nur durch die Merkmale der folgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

1. Kapazitiver Druckwandler für ein Atmungsgerät, mit einer ersten Kondensatorpiatte (11) und einer zweiten Kondensatorpiatte (14), die aus einer Referenzposition in eine erste Richtung bewegbar ist in Abhängigkeit von einer Druckabnahme während des Einatmungsteils des Atmungszyklus, wobei der Wandler dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Kondensatorplatte (14) bei einer Druckzunahme während des Ausatmungsteus des Atmungszyklus im wesentlichen in der Referenzposition verbleibend gehalten ist, so daß sie eine Kapazitätsänderung nur während des Einatmungsteils des Atmungszyklus liefert.

2. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, bei dem die erste Kondensatorplatte ein erstes plattenförmiges Teil mit einer ersten leitfähigen Oberfläche aufweist und daß die zweite Kondensatorplatte eine Membran mit einer zweiten leitfähigen Oberfläche aufweist, die gegenüber der ersten leitfähigen Oberfläche angeordnet ist;

wobei Mittel zum Verbinden des ersten plattenförmigen Elements (11) und der Membran (14) zur Bildung einer integralen Einheit vorgesehen sind,

und wobei Einlaßmittel (25) vorgesehen sind zum Zuführen eines Atmungsdrucksignals durch das erste plattenförmige Element (11) hindurch zu der Membran (14),

wobei die Membran (14) an einer Bewegung von dem ersten plattenförmigen Element (11) weg während der Ausatmungszyklen des Drucksignals gehindert ist und zu einer Bewegung in Richtung auf das erste plattenförmige Element (11) während der Einatmungzyklen des Drucksignals in der Lage ist.

3. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 2, bei dem die Mittel zum Zulassen einer Bewegung der Membran (14) zu dem ersten plattenförmigen Element (11) hin eine Abstandsplatte (14) umfassen, in der eine Öffnung ausgebildet ist und die zwischen dem ersten plattenförmigen Element (11) und der Membran (14) montiert ist.

4. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 2, mit einem zweiten plattenförmigen Element (19), das derart angeordnet ist, daß die Membran (14) zwischen dem ersten und zweiten plattenförmigen Element (11, 14) angeordnet ist, wobei die Mittel zum Zurückhalten der Membran (14) gegen eine Bewegung von dem ersten plattenförmigen Element weg aus einer Oberfläche des zweiten plattenförmigen Elements (19) bestehen, die bündig gegen die Membran (14) anliegend montiert ist.

5. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 4, bei dem die Mittel zum Verbinden der plattenformigen Elemente (11, 19), der Membran (14) und der Abstandsplatte (14) aus einer ersten Klebmittelschicht (12) zwischen dem ersten plattenförmigen Element (11) und der Abstandsplatte (17), einer zweiten Klebmittelschicht zwischen der Abstandsplatte (17) und der Membran (14) und einer dritten Klebmittelschicht (22) zwischen der Membran (14) und dem zweiten plattenförmigen Element (19) bestehen.

6. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 2, bei dem die Einlaßmittel (25) ein Rohr umfassen, daß sich durch das erste plattenförmige Element (14) hindurch erstreckt zur Herstellung einer Druckmittelverbindung zu der Membran (14).

7. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 3, bei dem das erste plattenförmige Element (11) auf seiner einen flachen Oberfläche eine zweite leitfähige Oberfläche aufweist, die von der ersten leitfähigen Oberfläche unabhängig ist, wobei die zweite leitfähige Oberfläche einen Festkondensator mit den Bereichen der Membran bildet, die nicht gegenüber der Öffnung in der Abstandsplatte (17) liegen.

8. Atmungsgerät mit einer Gaszufuhr zum Zuführen von Gas zu einem Patienten und einem kapazitiven Druckwandler zum Erfassen der Atmungszyklen des Patienten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegung der zweiten Kondensatorplatte (14) aus der Referenzposition heraus während des Einamtungsteils des Einatmungszyklus zum Erzeugen eines Steuersignais dient und die Vorrichtung auf das Steuersignal ansprechende Steuermittel zum Steuern der Gaszufuhr zu dem Patienten aufweist, wobei das Steuersignal in Funktion der Druckschwankungen während des Einatmungsteus des Atemzyklus variiert, aber während des Ausatmungsteils des Atmungszyklus trotz der Druckänderungen auf einem im wesentlichen konstanten Wert bleibt.