DE102012003509B4 - Beatmungssystem - Google Patents
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Abstract
Beatmungssystem zur nichtinvasiven Beatmung mit einem Beatmungsantrieb, der von einer Steuereinrichtung (10) gesteuert wird, und mit einem Patienten-Modul (4) mit Elektroden zur Ableitung von Elektrodensignalen von der Oberfläche des Brustkorbs eines Patienten, wobei die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, in den Elektrodensignalen EKG-Anteile zu unterdrücken, um die Atemanstrengung repräsentierende elektromyographische Signale (EMG-Signale) zu erhalten und den Beatmungsantrieb abhängig von den EMG-Signalen zu steuern, wobei die Steuereinrichtung (10) weiter dazu eingerichtet ist, aus dem Elektrodensignal vor der Unterdrückung des EKG-Signalanteils EKG-Signale abzuleiten und EKG-repräsentative Daten an einem Ausgang der Steuereinrichtung (10) zur Anzeige auf einem integrierten oder separaten Monitor bereitzustellen, und wobei nach Abtrennung der EKG-Signale in der Steuereinheit (10) eine Hüllkurve für die elektromyographischen Signale (EMG-Signale) gebildet wird und die elektromyographischen Signale auf dem Monitor angezeigt werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beatmungssystem zur nichtinvasiven Beatmung mit einem Beatmungsantrieb, der von einer Steuereinrichtung gesteuert wird, und mit Elektroden zur Ableitung von Elektrodensignalen von der Oberfläche des Brustkorbs, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, in dem Elektrodensignal EKG-Anteile zu unterdrücken, um die Atemanstrengung repräsentierende elektromyographische Signale (EMG-Signale) zu erhalten und den Beatmungsantrieb abhängig von den EMG-Signalen zu steuern.
- Beatmungssysteme haben zum Ziel, die Atemmuskulatur des Patienten zu entlasten und eine hinreichende Sauerstoffversorgung und Kohlendioxid-Elimination zu gewährleisten. Dies geschieht entweder durch vollständige Übernahme oder - bei unterstützenden Verfahren - durch teilweise Übernahme der Atemarbeit durch einen Beatmungsantrieb. Angesichts der Zunahme von chronischen Lungenkrankheiten und der Forderung nach einer verbesserten Therapie ist die nichtinvasive Beatmungsunterstützung bei verbesserter Interaktion zwischen Patient und Beatmungsantrieb eine maßgebliche Anforderung an moderne Beatmungssysteme. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dabei ist die Einstellung des Anteils der geräteseitigen Unterstützung zu dem Eigenanteil der Patientenatmung in Bezug auf Atemarbeit (entsprechend der Amplituden der Atemhübe) und zeitlichen Synchronität. Mit einem einstellbaren Anteil des Eigenatemanteils können verschiedene Ziele wie z.B. Entlastung der Patientenmuskulatur oder eine Beatmungsentwöhnung verfolgt werden. Hierfür ist es wichtig, den Beginn der Atemphasen der Patientenatmung sicher zu detektieren, da diese Information - besonders bei Neonaten und COPD-Patienten - nicht eindeutig aus den pneumatischen Messsignalen des Beatmungssystems hervorgehen. Für eine verbesserte Anpassung an die Atemanstrengungen des Patienten ist es bekannt, elektromyographische Signale (EMG-Signale) abzuleiten, welche die Muskelaktivität der Atmungsmuskulatur repräsentieren. Ein solches Verfahren ist aus
DE 10 2007 062 214 B3 bekannt. InDE 10 2007 062 214 B3 wird ein Verfahren beschrieben, um automatisch ein Beatmungssystem zu steuern. Bei dem ausDE 10 2007 062 214 B3 bekannten Verfahren wird ein Atemaktivitätssignal uEMG (t) mit Elektroden an der Oberfläche des Brustkorbs aufgenommen. Um die aufgenommenen Elektrodensignale zu die Atemaktivität repräsentierenden elektromyographischen Signalen zu machen, müssen die Elektrodensignale einer Vorverarbeitung unterzogen werden, insbesondere müssen EKG-Signalanteile, die von der Signalhöhe her das Gesamtsignal dominieren, entfernt werden. Dazu können eine Filterung sowie eine Hüllkurvendetektion vorgenommen werden. Bevorzugt wird die Hüllkurvendetektion durch Betragsbildung oder Quadrierung und anschließende Tiefpassfilterung der Elektrodensignale durchgeführt. Nach dieser Vorverarbeitung liegen die Atemaktivität repräsentierende elektromyographische Signale vor, die zur Steuerung des Beatmungsantriebs des Beatmungssystems verwendet werden können, wie z.B. inDE 10 2007 062 214 B3 beschrieben. - In
DE 10 2009 035 018 A1 wird eine medizinische Sensorvorrichtung11 beschrieben. Elektroden12 auf dem Brustkorb eines Patienten erzeugen elektrische Signale, aus denen ein Elektromyogramm (sEMG) erzeugt wird. Eine Anordnung mit einem Beschleunigungssensor6 und einem Mikrofon7 erzeugt ein Mechanomyogramm (MMG). Die gemessenen Signale enthalten einen EKG-Anteil, welcher durch Filterung rechnerisch unterdrückt wird.10 zeigt ein EKG Signal71 und ein Atmungssignal70 .11 zeigt ein EMG/MMG Signal72 und ein Atmungssignal70 . - In wird
WO 2005/ 096 924 A1 - In
US 2007 / 0 191 728 A1 20 ,21 und22 auf dem Bauch der werdenden Mutter messen eine Überlagerung von EKG- und EMG-Signalen. Die EKG-Signale werden von den EMG-Signalen rechnerisch getrennt, und die Signale vom Fötus werden von den Signalen von der werdenden Mutter rechnerisch unterschieden. -
EP 2 371 412 A1 zeigt ein Gerät zur künstlichen Beatmung oder auch Narkotisierung eines Patienten. Ein sEMG-Sensor 6 auf der Haut des Patienten erfasst die elektromyographische Muskelaktivität der Atemmuskulatur des Patienten. - In
US 6 411 843 B1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, um ein aufbereitetes EMG-Signal (model EMG signal) aus einem gemessenen Signal zu erhalten, welches aus einer Überlagerung eines EMG-Signals und eines EKG-Signals eines Patienten entsteht. Aus dem gemessenen Signal wird eine Hüllkurve (first envelope signal) berechnet. Außerdem werden Herzschlagzeitpunkte in dem gemessenen Signal detektiert. Aus der erzeugten Hüllkurve und den detektierten Herzschlagzeitpunkten wird das aufbereitete EMG-Signal erzeugt. - Bei der Beatmung von Patienten ist es auch wünschenswert, ein Elektrokardiogramm (EKG) zur Anzeige zu bringen, um einen Überblick über die Vitalparameter zu erhalten. Diese Anzeige soll dazu dienen, die Herzrate, sowie die Gleichmäßigkeit (Variabilität) und Unregelmäßigkeiten (Arrhythmie) in der Anzeige sichtbar zu machen.
- Für die Aufnahme der elektromyographischen Signale an der Oberfläche des Brustkorbs sind mehrere Elektroden notwendig. Sofern keine kardiologischen Fragestellungen bestehen, wird ein EKG meistens mit drei Ableitungen, d.h. vier Elektroden im Brustbereich des Patienten aufgenommen. Daher müssen, wenn neben einem elektromyographischen Signal auch ein EKG-Signal aufgenommen werden soll, viele Elektroden am Oberkörper des Patienten befestigt werden, was insbesondere für sehr kleine Patienten und Frühgeborene nachteilig ist.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beatmungssystem, das den Beatmungsantrieb auf Grundlage von elektromyographischen Oberflächensignalen am Brustkorb steuert, so auszugestalten, dass EKG-Signale zur Anzeige gebracht werden können, die ausreichend sind, um die Herzrate, eventuelle Unregelmäßigkeiten und die Varianz der Herzaktivität zu erkennen und eine graphische Darstellung der EKG-Signale zu ermöglichen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, vor der Unterdrückung der EKG-Signalanteile aus den aufgenommenen Elektrodensignalen EKG-Signale abzuleiten und EKG-repräsentative Daten zur Anzeige bereitzustellen. Erst danach werden die Elektrodensignale verarbeitet, um darin enthaltene EKG-Signalanteile zu unterdrücken und so die Atemanstrengung repräsentierende EMG-Signale zu erhalten. Dabei werden die EMG-Signale zur Steuerung der Unterstützung der Atemaktivität des Patienten wie z.B. in
DE 10 2007 062 214 B3 beschrieben verwendet. - Tatsächlich enthalten die elektromyographischen Oberflächenelektrodensignale, ebenso wie die Signale eines Ösophagus-EMG, einen starken Signalanteil durch die Herzaktivität (EKG-Signale). Dieser Signalanteil mit einer Signalamplitude von einem bis mehreren Millivolt wird aus dem Signalverlauf eliminiert, um die wesentlich kleineren anderen Muskelaktivitäten (zum Beispiel Zwerchfell-, Zwischenrippen- und Atemhilfsmuskulatur) als Atemaktivitätssignale bewerten zu können. Dazu wird der EKG-Anteil durch Subtrahieren oder Ausschneiden der EKG-Signale verarbeitet; in der Regel werden die Signalanteile, die einen R-Peak des EKG-Signals enthalten, in einem festen Zeitfenster vor und hinter dem R-Peak ausgeschnitten. Die herausgeschnittenen Signalanteile werden entweder durch 0 oder eine Konstante entsprechend der Signalhöhe vor dem Zeitfenster des R-Peaks des EKG-Signals ersetzt, d.h. das Signal wird mit der Signalhöhe vor dem Zeitfenster des R-Peaks über das Zeitfenster extrapoliert. Der eliminierte EKG-Anteil an den Elektrodensignalen steht nicht in direktem Zusammenhang mit den Atembemühungen des Patienten und ist bei einer Steuerung der Beatmung auf Grundlage der EMG-Signale unbeachtlich. Die nach Unterdrückung des EKG-Signalanteils erhaltenen EMG-Signale stellen Signale dar, deren Amplitude mit der Muskelaktivität moduliert ist.
- Die vor ihrer Unterdrückung vorhandenen EKG-Signale können als EKG-Signale abgeleitet und auf einer Anzeige dargestellt werden. Bei Positionierung der Elektroden zur Erfassung des EMG-Anteils entstehen Ableitungen, die ungefähr den üblichen Ableitungen eines EKG nach Einthoven I oder II entsprechen. Für ein diagnostisches EKG ist es notwendig, die Positionen und damit den Blickwinkel auf das Herz als Spannungserreger (Cabrera-Kreis) zu kennen, damit die graphische Darstellung den in der Medizin üblichen Darstellungsweisen entspricht und die Amplituden- und Zeit-Verhältnisse entsprechend den medizinischen Standards ausgemessen werden können. Für viele respiratorische Fragestellungen besteht die Anforderung, die Herzaktivität im Sinne einer Herzrate, deren Gleichmäßigkeit (Variabilität) und Unregelmäßigkeiten (Arrhythmie) erfassbar zu machen. Die bei der Messung der elektromyographischen Aktivität automatisch anfallenden und in einem späteren Verfahrensschritt in den Elektrodensignalen zu unterdrückenden EKG-Signale sind für die genannten Zwecke vollständig ausreichend.
- Die Elektroden sind an einem Patienten-Modul angeordnet, das auf der Oberfläche des Brustkorbs des Patienten zu platzieren ist. Eine Steuereinrichtung, von der einzelne Komponenten bereits auf dem Patienten-Modul oder an anderer Stelle in dem Beatmungssystem untergebracht sein können, stellen die separierten EKG-Signale digital und/oder analog zur Verfügung, um auf einem Patienten-Monitor die graphische Darstellung und die Anzeige der Messwerte zu ermöglichen, ohne dass dafür eigene oder zusätzliche EKG-Elektroden an dem Patienten-Modul benötigt werden.
- Als Messwerte kommen unter anderem der EKG-Signalverlauf, die Herzrate und die Herzraten-Variabilität, aber auch andere Ableitungen der neuronalen, kardiologischen oder respiratorischen Signale in Frage.
- Die Herzraten-Variabilität kann über einen einstellbaren Zeitraum (zum Beispiel 1.000 bis 10.000 Herzschläge) ermitteln und als Standardabweichung, als Histogramm oder als Frequenzspektrum dargestellten. Die Herzraten-Variabilität kann dazu benutzt werden, um die Auslastung des Herz-Kreislauf-Systems zu bewerten oder daraus einen Stressindex zu erzeugen. Ebenso kann aus der Variabilität der Frequenz die Anpassung an den Atemzyklus abgeleitet werden. Die physiologischen Atem- und Herzaktivitäten sind in der 1.Ordnung unabhängig voneinander nach dem Bedarf von Gasaustausch (CO2 als Führungsgröße) bzw. dem Bedarf von Nährstoff / Sauerstoff Transport im Gewebe gesteuert. In
2 . Ordnung sind die physiologischen Atem- und Herzaktivitäten gekoppelt, indem der Körper versucht, eine Überlagerung von niedrigen Atemdrücken (Einatmung) und Füllung der Vorkammer mit venösem, drucklosem Blut zu erleichtern. Insofern ist bei gesunden physiologischen Bedingungen eine Kopplung von Atmung und Herzaktivität zu beobachten. Beide Regelkreise haben einen Freiheitsgrad über einen Frequenzbereich und einen Hubbereich. An der Variabilität kann abgeleitet werden, ob andere, „unwichtigere“ Einflussfaktoren auf die Herzaktivität Einfluss nehmen können, oder ob das Herz an den Grenzen seiner Leistungsfähigkeit arbeitet und keine „unwichtigen“ Einflussgrößen berücksichtigen kann. - Das Beatmungssystem kann in einem Monitor einen separaten Bereich haben, in dem eine graphische Darstellung der abgeleiteten EKG-Signale und/oder daraus abgeleitete Messwerte angezeigt werden. Der Monitor kann mechanisch direkt am Beatmungssystem darin integriert oder als separates Teil davon entfernt positioniert sein.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen erläutert, in denen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Beatmungssystems zeigt; -
2 eine schematische Darstellung eines Beatmungssystems zeigt; -
3 eine schematische Darstellung eines Beatmungssystems zeigt; -
4a ein Patientenmodul eines Beatmungssystems zeigt, und -
4b ein Patientenmodul eines Beatmungsgerätes zeigt. -
1 zeigt ein Beatmungssystem mit einer Haupteinheit2 und einem Patienten-Modul4 , das mit Elektroden versehen ist, die an der Oberfläche des Brustkorbs des Patienten angebracht werden. Das Patienten-Modul4 steht mit einer Leitung9 , die zur Energieversorgung mit einer Schaltung8 zur Potentialtrennung verbunden ist, und mit einer Leitung7 zur Datenübertragung mit der Haupteinheit2 in Verbindung. Die nichtinvasive Beatmung erfolgt über ein Schlauchsystem1 mit einem inspiratorischen und einem exspiratorischen Schlauch. - Die von den Elektroden aufgenommenen Signale werden bereits auf dem Patienten-Modul
4 durch Analog/Digital-Wandler in digitale Daten umgewandelt, die zu der Haupteinheit2 über eine Leitung7 übertragen werden. Die über die Leitung7 übertragenen digitalen Daten werden in einer DC-DC-Wandlerschaltung6 umgewandelt und weiter zu einer Steuereinrichtung10 , z.B. in Form eines Mikroprozessors übertragen, in dem unter anderem EKG-Signale abgetrennt wird. EKG-Signale werden einmal in digitaler Form zu einem digitalen EKG-Ausgang22 geleitet; zum anderen werden EKG-Signals in einem Digital/Analog-Wandler11 wieder in ein analoges Signal gewandelt, das zu einem analogen EKG-Ausgang20 geleitet wird. Die Haupteinheit2 weist eine Anzeige30 auf, auf der die elektromyographischen Signale nach Abtrennung des EGK-Signalantels angezeigt werden. Abgetrennte EKG-Signale wirden in einem Fenster32 gesondert auf der Anzeige30 dargestellt. Die elektromyographischen Signale werden in der Steuereinrichtung10 dazu verwendet, um die Unterstützung der Atemaktivität durch einen Beatmungsantrieb nach vorgegeben Algorithmen einzustellen, wie z.B. inDE 10 2007 062 214 B3 beschrieben. - Selbstverständlich können die von den Elektroden aufgenommenen Signale in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel auch analog vom Patienten-Modul an die Haupteinheit über eine Leitung übertragen und erst in der Haupteinheit digitalisiert werden.
-
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Beatmungssystems, das weitgehend dem in1 dargestellten entspricht, aber mit einem separaten Monitor34 versehen ist, auf dem das analoge EKG-Signal von dem Ausgang20 zur Anzeige gebracht wird. -
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Beatmungssystems, das sich von den vorhergehenden dadurch unterscheidet, dass keine elektrischen Leitungsverbindungen zwischen dem Patienten-Modul4 und der Haupteinheit2 vorhanden sind. Stattdessen wird das Patienten-Modul4 mit elektrischer Energie aus einem lokalen Akkumulator5 versorgt. Die aufgenommenen und digitalisierten EMG-Signale werden dann drahtlos über Funk zu der Steuereinrichtung10 in der Haupteinheit2 gesendet. Nach Abtrennung der EKG-Signale werden diese an dem digitalen Ausgang22 bereitgestellt und zu dem Monitor34 weitergeleitet und dort zur Anzeige gebracht. -
4a zeigt schematisch ein Patienten-Modul4 . Die Elektrodensignale werden über einen Steckverbinder40 für die Elektroden zu Messverstärkern geleitet und deren Ausgabe zu einem Analog/Digital-Wandler44 geleitet. Die digitalisierten Signale werden in der Steuereinrichtung (Mikroprozessor)42 verarbeitet, wobei unter anderem EKG-Signale abgetrennt werden, und werden zu einem Leitungstreiber46 weitergeleitet. Die so vorbereiteten Signale werden über eine Ausgabe7 zu der Haupteinheit gesendet. Die Energieversorgung erfolgt entweder über eine Leitung9 oder über einen lokalen Akkumulator. Die Weiterleitung der elektrischen Energie über die Einheit48 zu den weiteren Komponenten auf dem Patienten-Modul4 ist in der Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit ausgelassen. -
4b zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Patienten-Moduls4 . Wiederum werden die Elektrodensignale in einem Analog/Digital-Wandler44 digitalisiert und in eine Steuereinrichtung42 verarbeitet. In der Steuereinrichtung (Mikroprozessor)42 wird nach Abtrennung der EKG-Signale aus den Elektrodensignalen eine Hüllkurve für die Oberflächen-EMG-Signale durchgeführt. Die Oberflächen-EMG-Signale werden über Schaltungen47 und49 an einen Treiber52 weitergegeben. Entsprechend werden die abgetrennten EKG-Signale über eine Schaltung50 auf den Treiber52 weitergeleitet. Von dem Treiber52 werden die Daten über eine Datensendeeinheit7' zum Beispiel über WLAN drahtlos zu der Haupteinheit2 übertragen. Die Energieversorgung erfolgt über einen Akkumulator9' und eine Verteiler48 , wobei wiederum die Weiterleitungen von dem Verteiler48 zu den einzelnen Komponenten auf dem Patienten-Modul aus Gründen der Übersichtlichkeit ausgelassen sind. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schlauchsystem
- 2
- Haupteinheit
- 4
- Patienten-Modul
- 5
- Akkumulator
- 6
- DC-DC-Wandlerschaltung
- 7
- Datenübertragungsleitung
- 7'
- Datensendeeinheit
- 8
- Schaltung zur Potentialtrennung
- 9
- Leitung
- 9'
- Akkumulator
- 10
- Steuereinrichtung
- 20
- analoger EKG-Ausgang
- 22
- digitaler EKG-Ausgang
- 30
- Monitor
- 32
- Anzeigefenster
- 34
- Bildschirm
- 40
- Elektrodensteckverbinder
- 42
- Steuereinrichtung
- 44
- A/D-Wandler
- 46
- Leitungstreiber
- 47
- Steuereinrichtung zur Hüllkurvenberechnung
- 48
- Spannungsfilter
- 49
- Schaltung zur Verarbeitung der Oberflächen-EMG-Signale
- 50
- Schaltung zur Aufbereitung der EKG-Signalanteile
- 52
- Leitungstreiber
Claims (5)
- Beatmungssystem zur nichtinvasiven Beatmung mit einem Beatmungsantrieb, der von einer Steuereinrichtung (10) gesteuert wird, und mit einem Patienten-Modul (4) mit Elektroden zur Ableitung von Elektrodensignalen von der Oberfläche des Brustkorbs eines Patienten, wobei die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, in den Elektrodensignalen EKG-Anteile zu unterdrücken, um die Atemanstrengung repräsentierende elektromyographische Signale (EMG-Signale) zu erhalten und den Beatmungsantrieb abhängig von den EMG-Signalen zu steuern, wobei die Steuereinrichtung (10) weiter dazu eingerichtet ist, aus dem Elektrodensignal vor der Unterdrückung des EKG-Signalanteils EKG-Signale abzuleiten und EKG-repräsentative Daten an einem Ausgang der Steuereinrichtung (10) zur Anzeige auf einem integrierten oder separaten Monitor bereitzustellen, und wobei nach Abtrennung der EKG-Signale in der Steuereinheit (10) eine Hüllkurve für die elektromyographischen Signale (EMG-Signale) gebildet wird und die elektromyographischen Signale auf dem Monitor angezeigt werden.
- Beatmungssystem nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Patienten-Modul (4) Schaltungen vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, aus den Elektrodensignalen die EKG-Signale zu separieren und die separierten EKG-Signale digital und/oder analog für die Anzeige bereitzustellen. - Beatmungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Patienten-Modul (4) mit den übrigen Komponenten des Beatmungssystem durch Verbindungsleitungen (7, 9) in Verbindung steht, die zur Energieversorgung des Patienten-Moduls (4) und zur Datenübertragung zwischen Patienten-Modul (4) und den übrigen Komponenten des Beatmungssystems vorgesehen sind.
- Beatmungssystem nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Patienten-Modul (4) mit einem Akkumulator (9') zur Energieversorgung versehen ist und mit den anderen Komponenten des Beatmungssystems drahtlos in Funkverbindung steht. - Beatmungssystem nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Anzeige zum Anzeigen der elektromyographischen Signale und der EKG-Signale in einem Fenster (32) der Anzeige (30) vorgesehen ist.
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