DE69131836T2

DE69131836T2 - Regelkreis zur überwachung des arteriellen co 2-gehaltes

Info

Publication number: DE69131836T2
Application number: DE69131836T
Authority: DE
Inventors: John Francis Cade; Eng-Boon Law; John Stuart Packer
Original assignee: University of Melbourne
Current assignee: University of Melbourne
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2011-09-20
Also published as: EP0549685A4; JPH06502090A; US5402796A; EP0549685B1; DE69131836D1; EP0549685A1; WO1992004865A1; CA2092703A1; CA2092703C; JP2688453B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die kontinuierliche und nicht invasive Überwachung des partiellen Druckes des arteriellen CO&sub2;-Gehaltes (PaCO&sub2;) von künstlich beatmeten Patienten.
Auf einer Intensivstation ist eine mechanische Beatmung von Patienten erforderlich, die nicht in der Lage sind, ihre eigene Atmung zu kontrollieren. Der Grad der Beatmung muß so geregelt werden, daß der arterielle CO&sub2;-Gehalt in einem gewünschten Bereich liegt. Die Klinikärzte regeln den Einstellwert der Beatmungsgeräte auf der Grundlage von periodisch entnommenen Blutproben. Um sich rasch ändernde PaCO&sub2;-Werte zu überwachen (Überwachung und Regelkreis) ist der Einsatz eines kontinuierlichen und nicht invasiven Monitors zweckmäßig. Bekannte transkutane Meßwandler sind zwar nicht invasiv, erfordern jedoch die Erwärmung der Haut des Patienten auf eine Temperatur von 44ºC und eine lange Stabilisierungszeit von 30 Minuten, so daß sie für eine kontinuierliche Überwachung nicht zufriedenstellend arbeiten. Die bekannte Methode, bei der eine konstante Differenz zwischen dem arteriellen CO&sub2;-Gehalt und dem endgültigen CO&sub2;-Gehalt des Flutvolumens angenommen wird, erweist sich bei einer Veränderung der Beatmung/Infusion als nicht zuverlässig und Versuche, eine Kontrolle der Beatmung in einem Regelkreis durchzuführen, erwiesen sich als Fehlschlag, da es nicht möglich war, kontinuierlich und nicht invasiv die zu kontrollierende Variable, das heißt, den PaCO&sub2; zu überwachen.
Daher sind direkte Methoden für die Überwachung des PaCO&sub2; invasiv und indirekte Methoden sind nicht zuverlässig, und zwar insbesondere deswegen, weil das CO&sub2;-Endflutvolumen durch den Totraum beeinflußt wird, der einen nicht meßbaren Wert darstellt.
Es erwies sich daher als notwendig, über eine Methode und eine Vorrichtung zu verfügen, die eine kontinuierliche und nicht invasive Aestimation des PaCO&sub2; ermöglichen.
Die Zeitschrift IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering, Vol. 18, Nr. 5, vom 5. September 1971 offenbart ein Beatmungsgerät, welches als Reaktion auf den kontinuierlich gemessenen CO&sub2;-Wert, der von dem Patienten ausgeatmet wird, gesteuert wird. Luft oder ein Gemisch aus Betäubungsgasen werden in die Alveolaren des Patienten eingegeben und die ausgeatmeten Gase werden aufgefangen und der partielle CO&sub2;-Druck wird gemessen und auf dieser Grundlage wird die erforderliche alveoläre Beatmung abgeschätzt. Eine Aestimation des Totraumverhältnisses wird auf der Grundlage des partiellen arteriellen CO&sub2;-Druckes des Blutes und des partiellen Druckes des ausgeatmeten CO&sub2; gemessen.
Kurz gesagt, bietet die vorliegende Erfindung ganz allgemein eine Methode und ein Verfahren für die kontinuierliche und nicht invasive Überwachung des partiellen arteriellen CO&sub2;-Druckes des Blutes (PaCO&sub2;) von künstlich beatmeten Patienten durch Überwachung der Atmung des Patienten und Ermittlung des PaCO&sub2; auf der Grundlage der Ermittlung eines Totraumverhältnisses, welches das Verhältnis zwischen dem alveolären Totraum und dem alveolären Flutvolumen wiedergibt. Die Methode umfaßt generell die Schritte der kontinuierlichen Überwachung von meßbaren Parametern der Atmung eines Patienten, einschließlich des gemischt ausgeatmeten partiellen CO&sub2;-Druckes, des eingeatmeten partiellen CO&sub2;-Druckes, des alveolären Flutvolumens und des alveolären Totraums; die Ermittlung eines PaCO&sub2;-Eingabewertes aus der Blutprobe eines Patienten und die Verwendung der Parameter der Atmung des Patienten und des Eingabewertes, um das Totraumverhältnis zu berechnen; und die kontinuierliche Ermittlung des PaCO&sub2; auf der Grundlage der Annahme, daß das Totraumverhältnis anschließend konstant bleibt.
Außerdem werden bevorzugt ebenfalls Entscheidungsregeln eingesetzt, die aus anderen meßbaren Daten gewonnen wurden, um den Beginn einer Veränderung des Totraumverhältnisses festzustellen und danach werden auf der Grundlage der Parameter der Atmung des Patienten ein neues Totraumverhälinis und ein weiterer Eingabewert des PaCO&sub2; aus der Blutprobe des Patienten ermittelt.
Die Ermittlung des PaCO&sub2; beruht bevorzugt auf der folgenden Gleichung:
Darin ist VDalv der alveoläre Totraum,
VTalv ist das alveoläre Flutvolumen
PE*CO&sub2; ist das aus dem Flutvolumen gemischt ausgeatmete CO&sub2;, und PiCO&sub2; ist das eingeatmete CO&sub2;.
Das gemischt ausgeatmete CO&sub2;, das eingeatmete CO&sub2;, das alveoläre Flutvolumen und der alveoläre Totraum bilden meßbare Parameter der Atmung des Patienten.
Die anderen meßbaren Daten, welche für die Ermittlung von Entscheidungsregeln verwendet werden, um Veränderungen des Totraumverhältnisses festzustellen, werden bevorzugt mit der Mechanik der Lunge und den Trends der Erzeugung von CO&sub2; in Zusammenhang gebracht.
Auf der Grundlage des ermittelten Wertes des PaCO&sub2; kann die Beatmung des Patienten reguliert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für die kontinuierliche und nicht invasive Überwachung des partiellen Druckes des arteriellen CO&sub2;-Gehaltes von künstlich beatmeten Patienten vorgeschlagen. Die Vorrichtung enthält vorzugsweise einen Kapnographen für die kontinuierliche Überwachung von meßbaren Parametern der Atmung des Patienten, einschließlich des partiellen Druckes des gemischt ausgeatmeten CO&sub2;, des partiellen Druckes des eingeatmeten CO&sub2; und des alveolären Flutvolumens und die Lieferung entsprechender Daten, sowie Mittel für die Ermittlung eines an den Kapnographen angeschlossenen Totraumverhältnisses, um die Daten der Parameter der Atmung zu ermitteln und Informationen in Bezug auf den PaCO&sub2; einer Blutprobe des Patienten auf der Grundlage der PaCO&sub2;-Information und der Parameter der Atmung zu erhalten. Vorzugsweise werden ebenfalls Mittel vorgesehen, um den PaCO&sub2; auf der Grundlage des Totraumverhältnisses und der Annahme zu ermitteln, daß das Totraumverhältnis anschließend konstant bleibt. Bevorzugt werden jedoch ebenfalls Mittel vorgesehen, um weitere Entscheidungsregeln zu ermitteln, welche es ermöglichen, den Beginn von Veränderungen des Totraumverhältnisses zu erkennen und dadurch die Notwendigkeit der Entnahme einer weiteren Blutprobe anzuzeigen, um das Totraumverhältnis erneut zu berechnen.
Die Vorrichtung ist bevorzugt an ein mechanisches Beatmungsgerät angeschlossen, um die Steuerung der Betätigung dieses Beatmungsgerätes auf der Grundlage der Werte des PaCO&sub2; zu kontrollieren, die von der Vorrichtung ermittelt worden sind.
Diese und weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur beispielhaft die Merkmale der vorliegenden Erfindung darstellen.
Die Fig. 1 zeigt ein grundsätzliches funktionelles Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Die Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm in Form eines Fließdiagramms der Software für die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung;
Die Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des partiellen Druckes des CO&sub2;- Gehaltes der Luftwellen als Funktion des von dem Patienten ausgeatmeten Volumens;
Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm der wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Die Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Versuchsergebnisse für die Aestimation des PaCO&sub2;; und
Die Fig. 6(A) und 6(B) zeigen ein detailliertes funktionelles Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In der Fig. 1 ist das Terminal des Kapnographen 10 mittels einer Verbindung 11 an einen Digital/Analogwandler (A/D) 12 angeschlossen. Der Kapnograph 10 kann zum Beispiel ein HP-78356 sein, und der A/D-Wandler 12 kann eine analoge Einrichtung enthalten, wie zum Beispiel einen RT1-815.
Der A/D-Wandler 12 ist mittels Anschlüssen 13 und 14 mit einem Rechner 15 verbunden, der zum Beispiel ein IBM-kompatibler PC-AT286 sein kann. Der Anschluß 13 ist an das Unterbrecherterminal des Rechners 15 angeschlossen und der Anschluß 14 ist an das Datenterminal angeschlossen.
Ein mechanisches Beatmungsgerät 16, wie zum Beispiel ein Puritan-Bennett 7200 ist wie üblich sowohl an den A/D-Wandler 12 als auch an den Rechner 15 angeschlossen, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die Anschlüsse 17 und 18 sind an die analogen Terminals des Beatmungsgerätes angeschlossen und übertragen Signale, die sich jeweils auf den Druck und die Strömung beziehen. Der Anschluß 19 geht zu dem digitalen Terminal des Beatmungsgerätes 16 und bildet einen RS-232-Anschluß an den Rechner 15.
Die Darstellung der Fig. 4 zeigt, daß das Verfahren im wesentlichen zwei größere Module umfaßt, von denen das erste ein Kalkulator 20 für den PaCO&sub2; und das zweite das Entscheidungsmodul 21 ist. Der Kalkulator 20 empfängt Eingabeinformationen 22 in Bezug auf Messungen der Atmung des Patienten 23, das heißt, eine Analyse der einzelnen Atemzüge. Das Entscheidungsmodul 21 empfängt Informationen auf dem Eingabeterminal 24, die aus anderen meßbaren Daten stammen, die den Patienten betreffen, wie zum Beispiel die Mechanik der Lunge und Trends in der Produktion von CO&sub2;, und enthält Entscheidungsregeln, die aus früheren Versuchen stammen. Die Regeln werden als Basisregeln für ein ExpertSystem verwendet.
Der PaCO&sub2;-Kalkulator 20 wird mit Hilfe der nachstehenden Gleichung (1) beschrieben.
Darin ist VTalv der alveoläre Totraum,
VTalv ist das alveoläre Flutvolumen,
PE*CO&sub2; ist das aus dem alveolären Flutvolumen gemischt ausgeatmete CO&sub2;, und
PiCO&sub2; ist das eingeatmete CO&sub2;.
Das Totraumverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem alveolären Totraum und dem alveolären Flutvolumen.
Die einzelnen Parameter können aus den Koordinaten des partiellen CO&sub2;- Druckes der Luftwellen als Funktion des bei jedem Atemzug ausgeatmeten Volumens abgeleitet werden, wie dies in der Graphik eines einzelnen Atemtests in der Fig. 3 dargestellt ist. In der Kurve bedeutet PE¹CO&sub2; das CO&sub2;- Endflutvolumen und VTalv ist das am Gastausch beteiligte Flutvolumen. Der alveoläre Totraum (dargestellt durch den Bereich Y) ist der Teil der eingeatmeten Luft, welcher die Aleveolen erreicht, aber nicht an dem Gastausch beteiligt ist. Vdaw, das heißt, der Totraum des Luftwegs, ist der Punkt der maximalen Inflexion der Koordinaten. In der Fig. 1 können die angegebenen Werte PE*CO&sub2; und PiCO&sub2; mit Hilfe der Gleichungen (2) - (5) berechnet werden.
PE*CO&sub2; = Bereich X/ VTalv (2)
PiCO&sub2; = PE*CO&sub2; - PE*bagCO&sub2; (3)
PEbagCO&sub2; = PEbagCO&sub2; * VT/Vt/V&sub1;alv (4)
PEbagCO&sub2; = VCO&sub2;*863/Vt*f
Darin ist f die Frequenz der Atmung, VCO&sub2; ist die Produktion von Kohlendioxid, die jede Minute dadurch berechnet werden kann, daß man die CO&sub2;-Fraktion (FCO&sub2;) und das Strömungssignal integriert, wie dies in den Gleichungen (6) - (7) gezeigt wird.
VCO&sub2; = V * FCO&sub2; (6)
Darin ist V die Strömung, FCO&sub2; ist die CO&sub2;-Fraktion, PCO&sub2; ist das Kapnographsignal, Pairway ist der Luftwegdruck, PB ist der Barometerdruck und PH2O ist der Dampfdruck.
Die Verarbeitung aufeinanderfolgender Atemzüge ergibt das gemischt ausgeatmete CO&sub2;, das eingeatmete CO&sub2;, das alveoläre Flutvolumen und den Totraum des Luftwegs. Da die einzige Unbekannte PaCO&sub2; ist, die nach einer Blutanalyse erhalten wird, ist es möglich, das Totraumverhältnis zu berechnen. Wenn davon ausgegangen wird, daß das Totraumverhältnis anschließend konstant bleibt, kann PaCO&sub2; auch mit Hilfe der Gleichung (1) berechnet werden. Eine Aestimation des PaCO&sub2; wird einmal pro Minute auf der Grundlage der mittleren Anzahl der Atemzüge pro Minute errechnet.
Bestimmte Korrekturen sind notwendig, wenn das System wie nachstehend beschrieben aufgerufen wird:
(a) Die Fließsignale müssen von BTPS (Body Temperature Pressure Saturated) in STPD (Standard Temperature Pressure Dry) korrigiert werden.
(b) Die Korrektur muß entsprechend der Verzögerung zwischen den Fließsignalen und den Kapnopgraph-Signalen durchgeführt werden. Die Dauer der Verzögerung findet man durch einfaches Anhalten der Luft und rasches Ausatmen durch die Luftkanüle und Abgleichen des Beginns der Strömung und der Kapnograph-Signale.
(c) Korrektur der Nachgiebigkeit der Luftkanüle. Die durch das Ausgleichsvolumen verursachte Strömung wird von dem analogen Strömungssignal unter Verwendung von 4f C = V abgezogen
darin ist P = der Druck der Luftwege,
C = die Nachiebigkeit der Luftkanüle,
V = die Strömung aufgrund der Nachgiebigkeit.
(d) Die Korrektur für die erneute Atmung wird durch kontinuierliche Integration der Strömung und der CO&sub2;-Fraktion mit Hilfe der Gleichung (6) durchgeführt.
(e) Die Korrektur des Kapnograph-Signals für den Dampfdruck und den Druck in den Luftwegen wird mit Hilfe der Gleichung (7) durchgeführt.
Wie bereits vorstehend erwähnt, werden die Entscheidungsregeln durch Versuche festgelegt, um dadurch Regeln zu bestimmen, die eine Veränderung des Totraumverhältnisses anzeigen, so daß das System anzeigen kann, daß ein erneuter Bluttest notwendig ist.
Nachstehend sind die abgeleiteten Entscheidungsregeln angegeben:
(i) Wenn das alveoläre Volumen pro Minute steigt und die CO&sub2;-Produktion sinkt, kann sich das Totraumverhältnis geändert haben.
(ii) Wenn das alveoläre Volumen pro Minute sinkt und die CO&sub2;-Produktion steigt, kann sich das Totraumvolumen geändert haben.
(iii) Wenn das alveoläre Volumen pro Minute steigt und das arterielle oder Endflutvolumen des CO&sub2; steigt, kann sich der Totraum verändert haben.
(iv) Wenn das alveoläre Volumen pro Minute sinkt und das arterielle oder Endflutvolumen des CO&sub2; sinkt, kann sich der Totraum verändert haben.
Es ist möglich, weitere Entscheidungsregeln zu bestimmen, um eine Veränderung des Totraumverhältnisses anzuzeigen. Zum Beispiel Veränderungen in Bezug auf den Widerstand des Luftwegs, den Spitzendruck des Luftwegs (PAP), den Spitzenfluß, SaO&sub2;, das Verhältnis zwischen Einatmung und Ausatmung, und des positiven Drucks am Ende der Ausatmung (PEEP) sollten auf eine Veränderung des Totraumverhältnisses hindeuten. Durch automatische Aufzeichnung dieser Parameter bei einem klinischen Test, einschließlich der Ergebnisse von Blutproben, kann man den Zusammenhang zwischen der Veränderung dieser Parameter und der Veränderung des Totraumverhälinisses herstellen.
Falls gewünscht, kann eine Regelkreis-Kontrolle der Beatmung auf der Grundlage des vorausgesagten PaCO&sub2; durchgeführt werden. Die Kontrollvorrichtung beruht in diesem Fall auf einer Reihe von Regeln, welche die Einstellung des Flutvolumens und das respiratorische Verhältnis des mechanischen Beatmungsgerätes bestimmen, um den Wert des PaCO&sub2; auf einem Sollwert zu halten. Die Regeln des Kontrollgerätes basieren auf vorhandenen klinischen Protokollen für die Regulierung von Beatmungsgeräten.
Der Algorithmus der Kontrolle ist nachstehend angegeben:
Als erstes muß ein Sollwert für den PaCO&sub2; wie folgt festgelegt werden:
Nach Feststellung des pH-Wertes auf der Grundlage der letzten Blutuntersuchung, und wenn der pH-Wert zwischen 7,36 und 7,44 liegt, liegt der Sollwert des PaCO&sub2; bei 40 mm Hg, das heißt, der Voreinstellung. Wenn der pH-Wert über diesen Grenzen liegt, so wird die folgende Gleichung verwendet, um einen neuen Sollwert für den PaCO&sub2; zu berechnen.
pH = 6,1 + log (HCO&sub3; / (0,03 * PaCO&sub2;)
Darin ist pH = 7,4 und HCO&sub3; stammt aus den letzten Ergebnissen der Blutgasanalyse. Der Sollwert des PaCO&sub2; kann ebenfalls von dem behandelnden Arzt festgelegt werden, der dabei die vorgenannten Berechnungen außer Acht läßt.
Als nächstes kann die Regulierung des Beatmungsgerätes für die nächsten fünf Minuten mit Hilfe der folgenden Gleichung festgelegt werden.
PCO&sub2; * (VTalv * f) = PaCO&sub2; * (VTalv1 * f')
Darin ist PaCO&sub2; der Sollwert, (VTalv * f) ist die alveoläre Beatmung pro Minute, die notwendig ist, um diesen Sollwert zu erreichen, PaCO&sub2; ist die neueste Aestimation, und (VTalv1 * f') ist der Wert der letzten Beatmung pro Minute.
Um auf die aktuellen Werte von VT und f aus dem Volumen pro Minute zu schließen, wird das folgende Procedere angewandt:
VT wird erhöht und f konstant gehalten, so daß
(1) VT nicht unter 500 ml liegt;
(2) VT nicht über 1000 ml liegt;
(3) der Spitzendruck des Luftwegs (PAP) nicht über 40 liegt.
Wenn die Punkte (2) oder (3) nicht eingehalten werden können, wird VT konstant gehalten und f so erhöht, daß
(a) f nicht kleiner als 10 bpm ist;
(b) f nicht größer als 20 bpm (und nicht kleiner als 10 bpm) ist;
(c) das Verhältnis zwischen Einatmung und Ausatmung (I : E) unter 1 : 2 liegt.
Wenn (b) oder (c) überschritten wird, sollte der Spitzenwert der Luftströmung (PAF) erhöht werden.
Wenn das erforderliche Volumen pro Minute nicht erreicht werden kann, ohne die Grenzen einer der Werte VT/f/PAP/mittlerer Druck/PAF/I : E zu überschreiten, so leuchtet ein Alarmsignal auf, um den behandelnden Arzt zu warnen.
Wie bereits weiter oben gesagt, wird das erfindungsgemäße System nach einer Ausführungsart auf einem PC-AT-Rechner installiert. Analoge Signale für die Strömung und den Druck, die von dem Beatmungsgerät vom Typ Puritan- Bennett 7200 und den CO&sub2;-Luftwellensignalen aus dem HP-78356 Kapnographen abgegeben werden, werden von analog in digital umgewandelt und mit Hilfe des Rechners in der Echtzeit aufbereitet. Jeder Atemzug wird überprüft, um nicht physiologische Wellenformen, wie zum Beispiel unvollständige Atmungen vor der weiteren Aufbereitung auszusortieren. Jede Minute werden eine Aestimation des PaCO&sub2; durchgeführt und die jeweiligen Entscheidungsregeln aufgerufen.
Es wurden Versuche durchgeführt, um alle Berechnungen zu überprüfen, die für die Formulierung der Entscheidungsregeln durchgeführt worden sind. Die Produktion von CO&sub2; und das gemischt ausgeatmete CO&sub2; wurden nach dem Douglasschen-Raum-Verfahren getestet. Der Totraum des Luftwegs wurde durch Eingabe eines bekannten Totraums in den Schaltkreis des Beatmungsgerätes getestet. Es mußten Korrekturen durchgeführt werden, um die Nachgiebigkeit der Luftwegkanülen, die Zeitverzögerung zwischen der Strömung und dem Signal des Kapnographen und der erneuten Atmung zu berücksichtigen. Um die Präzision der Aestimation des PaCO&sub2; zu testen, wurden klinische Versuche an ICU-Patienten durchgeführt. Bei den einzelnen Patienten wurden das Flutvolumen und die Beatmungsrate in verschiedenen Kombinationen bis zu einem Maximum von 30% der anfänglichen Sollwerte verändert. Nach jeder Änderung und einer Dauer der Stabilisierung von etwa 10 Minuten wurde eine Blutprobe abgenommen, um die Aestimation zu überprüfen. Bei jedem klinischen Experiment wurden 6 bis 8 Manipulationen in einem Zeitraum von 90 Minuten vorgenommen.
Um die einzelnen Faktoren zu identifizieren und festzustellen, in welchem Maß sie das alveoläre Totraumverhältnis beeinflussen, wurden spezifische Verfahren in die klinischen Tests eingeführt, um den Totraum zu verändern. Die Lage des Patienten wurde dadurch verändert, daß der Patient entweder gedreht oder das Bett geneigt wurde. Ein weiteres Vorgehen bestand darin, daß Bronchodilatoren verabreicht wurden. Während der Versuche wurden verschiedene meßbare Parameter aufgezeichnet, um sie mit Veränderungen des Totraums ins Verhältnis zu setzen. Dazu gehören die Nachgiebigkeit und der Widerstand der Luftwege, der Spitzendruck der Luftwege, die Spitzenströmung der Luft, die Dauer der Einatmung, der positive Druck der Endausatmung (PEEP), das Verhältnis zwischen Einatmung und Ausatmung (I : E), die CO&sub2;-Kurve als Funktion der Wellenform des ausgeatmeten Volumens, das CO&sub2;- Endflutvolumen und SaO&sub2;.
Die Testergebnisse zeigen eine verläßliche Aestimation (± 5 mm Hg) des PaCO2, selbst wenn sich das Totraumverhältnis um bis zu 30% gegenüber dem anfänglichen Wert verändert hatte. Dies weist darauf hin, daß der Kalkulator gegenüber gewissen Veränderungen des Totraumverhältnisses robust ist.
Die Testergebnisse haben ebenfalls gezeigt, daß eine Veränderung des Totraumverhältnisses erwartet werden kann, wenn den Veränderungen des alveolären Flutvolumens und der Frequenz nicht die erwarteten Änderungen des CO&sub2;-Endflutvolumens, und der geschätzten Produktion von PaCO&sub2; oder des CO&sub2;-Gehaltes folgten. Die Ergebnisse eines durchgeführten Versuches sind in der Fig. 5 wiedergegeben. Am Punkt A folgt dem Anstieg des alveolären Flutvolumens und dem Produkt der Beatmungsrate (alveoläres Volumen pro Minute) kein Absinken des CO&sub2;-Endflutvolumens und der Aestimation des PaCO&sub2;, was anzeigt, daß die Entnahme einer Blutprobe erforderlich ist. Am Punkt B folgt dem Absinken des alveolären Volumens pro Minute kein Anstieg des CO&sub2;-Endflutvolumens. In jedem dieser Fälle identifiziert das neue System der Aestimation korrekt die Veränderung des Totraumverhältnisses und nennt eine zuverlässige Aestimation des PaCO2 im Vergleich zu der traditionellen Methode, die auf einer konstanten Differenz des arteriellen Endflutvolumens basiert.
Veränderungen in Bezug auf die Nachgiebigkeit und den Widerstand, den Spitzendruck der Luftwege, SaO&sub2; und I : E sollten eine Veränderung des Totraumverhältnisses anzeigen, es sind jedoch weitere Ergebnisse notwendig, bevor diese Zusammenhänge quantifiziert werden können.
Die Ergebnisse zeigen, daß der PaCO&sub2;-Kalkulator ausreichend robust ist, um eine kontinuierliche Aestimation für einen großen Bereich der Regulierung des Beatmungsgerätes zu erlauben. Im Falle von starken Veränderungen des Totraums kann man sich auf die experimentell ermittelten Regeln verlassen, um die Notwendigkeit einer Blutgasprobe zu signalisieren. Es sind jedoch weitere klinische Versuche notwendig, um alle denkbaren Fälle der Veränderung des Totraumverhältnisses abzudecken. Durch die Integration eines ExpertSystem können die Basiskenntnisse in einfacher Weise erweitert werden, da bereits weitere klinische Daten zur Verfügung stehen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung liefert die nachstehende Beschreibung den Pseudo-Code für die Programmierung des erfindungsgemäßen Gerätes. Das Programm sollte in Verbindung mit der Fig. 6 gelesen werden, welche ein selbstdefinierendes Blockdiagramm des Gerätes darstellt.

HAUPTPROGRAMM

Rechnerschaltung: Hochfahren der Hardware und Initialisierung der Parameter.

Wiederholung

Zeitgeberregister: Überwachung der Echtzeit unter Verwendung jeder Form der Unterbrechung der AtoD-Umwandlung der Festfrequenz als Zeitzähler. Setzt Marker nach jeder Minute ("onemin"-Marker) und nach fünf Minuten ("fivemin"-Marker).
Wenn der "onemin"-Marker richtig anzeigt,
Ventrequest: Abfragen von Daten des Beatmungsgerätes durch Senden von Abfrage-Codes an die Serienschnittstelle. Die erste Abfrage lautet: "SPD", sende Patientendaten.
FndCO&sub2;prod: Anfordern der Berechnung der Produktion von Kohlendioxid und des gemischt ausgeatmeten Kohlendioxids in der jeweiligen Minute.
Checkcomq: checking comm. queue. Wenn die Warteschlange nicht leer ist.
Readvent: Ablesen der von dem Beatmungsgerät erhaltenen Zeichen.
Wenn diese Berechnung zufriedenstellend ist;
Sbt_CO&sub2;calc: Anfordern der Berechnung von physiologischen Parametern und der Voraussage des PaCO&sub2;.
Wenn der "fivemin"Marker richtig anzeigt und die obigen Berechnungen zufriedenstellend sind,
InvokeExpert: Testen, ob sich der Totraum verändert.
InvokeGontrol: Kontrollregeln.
Ceckkey: Testen der Tastatur in Bezug auf keyhit. Falls keyhit angezeigt wird,
Processkeyhit: "M" für die Markierung der erfolgten Blutabnahme.
Eingabe von PaCO&sub2;, pH, HCO&sub3;.
"Q", um das Programm zu verlassen.
Wenn der Test der Hardware erfolglos war,
Safe-exit: Schaltet alle Unterbrecher ab, Abschalten des A/D-Wandlers und vor Verlassen des Programms alle Speicher schließen.
Nach 0,5 bis 4,0 Sekunden werden die Daten in der Warteschlange verarbeitet.
Toscrn: Anzeige auf dem Bildschirm,
Tostore: Speichern.
FndCO&sub2;prod: Berechnung der CO&sub2;-Produktion fortsetzen
Sbt_CO&sub2;calc: Berechnung von SBT geht weiter
bis das System verlassen wird.

HOCHFAHREN DES SYSTEMS

Initialisierung der Variablen.
Initialisierung der Graphiken (Achsen der Koordinaten, etc.)
Hochfahren der Hardware: Einschalten der Unterbrecher für digitale und analoge Schnittstellen.

HOCHFAHREN DER HARDWARE

Einschalten eines Schaltkreispuffers (AtoDqueue) für die Speicherung von Echtzeitdaten.
Einschalten eines Schaltkreispuffers (Commqueue) für die Speicherung von Datenfolgen, die aus der Warteschlange ausgesendet wurden.
Programmieren der A/D-Wandler-Karte, um bei der eingestellten Frequenz (100 Hz) zu konvertieren und nach der Durchführung der jeweiligen Konvertierung eine Unterbrechung in dem ersten von drei Kanälen zu erzeugen. (Die drei Kanäle sind die Signale der Luftwegströmung, des Druckes und des Kapnographen).
Einstellen und Aktivieren eines Unterbrechervektors (Unterbrechen der Service-Routine: SetAtoD) für die A/ D-Karte, um die analoge Strömung und den Druck des Beatmungsgerätes und die Wellenform des Kapnographen von dem Kapnographen abzulesen.
Einstellen und Aktivieren des Unterbrechervektors (Unterbrechen der Service- Routine: SetComm) für die Warteschlange, um die digitalen Daten des Beatmungsgerätes abzulesen.

SERVICEROUTINE UNTERBRECHEN: SetAtoD

Einzelprobe des Zeitzählers für die "Timer-Routine"
Die konvertierten Daten von dem Terminal ablesen.
Die beiden anderen Kanäle aufrufen und ablesen. (Die drei Kanäle sind die Strömung, der Druck und die Wellenform des Kapnographen).
Eingabe der Verzögerung zwischen der Strömung, den Wellenformen des Druckes und der Wellenform des Kapnographen, um die Signale zu synchronisieren.
Die erhaltenen Zeichen in den Schaltkreispuffer eingeben (AtoDqueue).

SERVICEROUTINE UNTERBRECHEN: SetComm

Die erhaltenen Zeichen in den Schaltkreispuffer eingeben (Commqueue)

TIMER

Wenn der Marker "onemin" oder "fivemin" erscheint, löschen (Belegungsbit entfernen, um sicherzustellen, daß das Belegungsbit die Echtzeitschleife nur einmal durchläuft),
Überprüfung der Zeitzählung (erzeugt durch ISR, SetAtoD).
Nach einer Minute den Marker "onemin" setzen.
Nach fünf Minuten den Marker "fivemin" setzen.

FndCO&sub2; prod

Während den laufenden Berechnungen (durch den Datenzähler), Die Warteschlange von Anfang bis Ende wiederholen, Ablesen von Signalen für CO&sub2; (mm Hg), Luftwegströmung (Lpm) und Druck (mm Hg).
Berechnung der CO&sub2;-Fraktion = CO&sub2;/ (PB -PH2O + Druck),
darin ist PB = 760, PH2O = 47.
Korrektur der Strömung:
Flow(Lpm) = Strömung:
Nachgiebigkeit * (Druck letzter Druck) * 60/PTTOMS, darin ist:
die Nachgiebigkeit = 5,17 ml/mm Hg, PTTOMS = 10
Wenn die Luftwegströmung > + 1,21 pm (Ausatmungsphase),
CO&sub2;-Strömung = CO&sub2;-Strömung + Strömung*CO&sub2;-Fraktion.
(Integration der Luftwegströmung und der CO&sub2;-Fraktion)
Expvol = expvol + Strömung (Berechnung des in einem Atemzug ausgeatmeten Volumens)
Bei Abfrage der CO&sub2; -Produktion pro Minute,
CO&sub2;-Produktion = CO&sub2; -Strömung * BTPStoSTPD * PTTOMS/ 60
darin ist BTPStoSTPD = 0,8262
Expvol (ml) = expvol * BTPStoSTPED * PTTOMS/60
gemischt ausgeatmetes
CO&sub2; (mm Hg) = CO&sub2;-Produktion * 863 * 0,8262/Expvol.
Zurückgehen

READVENT

Ablesen der Zeichen aus dem Schaltkreispuffer (Commqueue).
Wenn eine Rückkehr des Laufwerkes erfolgt (d. h. Ende der empfangenen Information),
überprüfen, ob der Titel der Information SPD (Daten des Patienten aussenden),
SLM (Mechanik der Lunge aussenden) oder SVS (Status des Beatmungsgerätes aussenden) lautet.
Für jede empfangene Information Fehler je nach dem Umfang der Nachricht überprüfen und feststellen, ob die verschiedenen abgelesenen Parameter im physiologischen Bereich liegen.
Wenn SPD empfangen wird, so wird SLM abgefragt.
Wenn SLM empfangen wird, so wird SVS abgefragt.
Wenn SVS empfangen wird und alle Daten akzeptabel sind, wird ein Marker gesetzt, um anzuzeigen, daß die Abfrage des Beatmungsgerätes abgeschlossen ist.
(Die von dem Beatmungsgerät abgelesenen Parameter enthalten: RR (Grad), MV (Volumen pro Minute), MAP (durchschnittlicher Luftdruck), IE (Verhältnis zwischen Einatmung und Ausatmung), VT (Flutvolumen), SMV spontanes MV), PAP (Spitzendruck der Luftwege), SRR (Sollwert), SVT (Sollwert VT), PIF (Spitzendruck der Atmung), PEEP (positiver Enddruck der Ausatmung), DMC (dynamische Nachgiebigkeit), DMR (dynamischer Widerstand).

Sbt CO&sub2;calc

Bei fortlaufender Berechnung,
für jeden Atemzug bei einer Strömung < -1,12 Lpm (Phase der Einatmung),
wird Tinsp (die Dauer der Einatmung) gezählt.
Bei jedem Atemzug muß, wenn die Strömung > + 1,2 Lpm (Ausatmung) beträgt,
die Nachgiebigkeit der Strömung korrigiert werden.
das Flutvolumen (Vt) berechnet werden:
Expvol(ml) = expvol + (Strömung * PTTOMS/1000).
Erstellung der Koordinaten der Kurve des ausgeatmeten CO&sub2; (CO&sub2; der Luftwege (mm Hg) als Funktion von expvol (ml).
Berechnung des Gradienten des CO&sub2; des Luftweges als Funktion von expvol.
Aufzeichnung des maximalen Neigungspunktes von CO&sub2; als Funktion von expvol.
Daraus ergibt sich der Totraum des Luftweges VDLuftweg
Am Ende der Ausatmung (Strömung < - 1,2 Lpm),
Die Daten der Atmung ablehnen, wenn die Wellenform nicht physiologisch ist (Weniger als 50 Datenpunkte, oder der maximale Neigungspunkt wurde nicht gefunden).
Bestimmung des CO&sub2;-Endflutvolumens, des maximalen CO&sub2;-Gehaltes des Luftweges.
Berechnung der Plateauneigung des CO&sub2; als Funktion von expvol.
Berechnung des Bereiches unter dem CO&sub2; eines einzelnen Atemzuges (Bereich X) durch Summieren.
Die für diesen Atemzug berechneten Parameter werden mit den Parametern aus vorigen Atemzügen innerhalb einer Minute summiert. Diese Parameter sind: die Anzahl der Atemzüge, der Bereich X, VDLuftweg, das Flutvolumen (VT), das CO&sub2;-Endflutvolumen (ETCO&sub2;), die Phase der Plateauneigung, Tinsp und die Anzahl der abgelehnten Wellenformen.
Bei Abfrage einer Voraussage des CO&sub2;.
Wenn eine Probe des arteriellen CO&sub2; gezogen wird (markiert), aber noch nicht verfügbar ist,
werden die Parameter pro Minute in einem Puffer gespeichert.
Wenn das arterielle CO&sub2; verfügbar ist,
wird ein Mittelwert aller Parameter für die letzte Minute berechnet. (Der Mittelwert der einzelnen Parameter ist die Summierung/Gesamtzahl der Atemzüge).
Mit diesem Mittelwert werden die folgenden Berechnungen durchgeführt:
V&sub1;alv (alveoläres Flutvolumen) = VT - VDLuftweg.
PE*CO&sub2; (im bag gemischt ausgeatmetes CO&sub2;) = CO&sub2;prod*863/ (VT/VT*f)
PEbagCO&sub2; = PEbagCO&sub2; · VT/Vtalv.
PiCO&sub2; - PECO&sub2; = PEbagCO&sub2;.
Wenn PaCO&sub2; neu ist,
Das neue Totraumverhältnis berechnen:
VDalv (alveolärer Totraum) =
VTalv(PaCO&sub2;)/(PaCO&sub2; - PiCO&sub2;).
Alvcon (Totraumverhältnis) = VDalV/VTalv.
Vdphy (physiologischer Totraum) = VDalv + ADLuftweg.
Aestimation des PCO&sub2; (EPaCO&sub2;) = (PECO&sub2; -AlvconPiCO&sub2;)/(1-Alvcon).

InvokeExpert:

Regeln für die Prüfung, ob sich das Totraumverhältnis geändert hat. (die notwendigen Parameter sind: MV, ETCO&sub2;, EPaCO&sub2;, CO2prod, Neigung, DMC, DMR, Tinsp, PEEP, PAP).
Wenn die darunterliegenden Regeln dreimal nacheinander getriggert werden, wird ein Alarm ausgelöst (Hierbei ist zu beachten, daß die Parameter mit den Werten verglichen werden, die aus den Ergebnissen der letzten Blutprobe stammen):
Wenn MV um 800 ml oder mehr ansteigt und ETCO&sub2; nicht um mindestens 2 mm Hg sinkt.
Wenn MV um 800 ml oder mehr sinkt und EPaCO&sub2; nicht um mindestens 2 mm Hg ansteigt.
Wenn MV um 800 ml oder mehr ansteigt und CO&sub2;prod nicht um mindestens 20 ml sinkt.
Wenn MV um 800 ml oder mehr sinkt und CO&sub2;prod nicht um mindestens 20 ml sinkt.
Wenn sich die Neigung um mehr als 0,5 mm Hg/ml verändert.
Wenn sich DMR um mehr als 10 cm H&sub2;O/L/s verändert.
Wenn sich DMC um mehr als 10 ml/cm H20 verändert.
Wenn sich Tinsp um mehr als 0,5 s verändert.
Wenn der letzte PEEP weniger als 10 cm H20 beträgt und sich um mehr als 5 cm H 20 verändert.
Wenn der letzte PEEP gleich oder mehr als 10 cm H20 ist und sich um mehr als 2 cm H20 verändert.

InvokeControl:

Regeln für die Kontrolle des Beatmungsgerätes.
(Die notwendigen Parameter sind: Eingabe aus den Ergebnissen der Blutgastests: pH, HCO&sub3;, Sollwertgrenzen (I : E minimales Verhältnis, Grenzen der Rate, Grenzendes Volumens, Grenzen des Spitzendrucks).
Aus der Abfrage des Beatmungsgerätes: RR, MV, MAP, IE, VT, SMV, PAP, SRR, SVT, PIF, PEEP, DMC, DMR.
Aus den Berechnungen: Vdphy, EPaCO&sub2;)
Sobald eine neue Blutprobe verfügbar ist, wird der neue Sollwert des CO&sub2; berechnet:
Wenn (pH < 7,36) oder (pH > 7,44)
ist der CO&sub2;-Sollwert = 1,6706 * HCO&sub3;.
Berechnung des erforderlichen alveolären Volumens pro Minute (AMVneeded);
AMV (alveoläres Volumen pro Minute (ml)) = (MV * 1000 - RR*VDphy).
AMVneeded = EPaCO&sub2; · AMV/CO&sub2; Sollwert.
Korrektur für spontane Atmung; Wenn (SMV> 0) und (RR> SRR)
RRsponf (spontane Rate) = SRR-RR
AMVneeded = AMVneeded - (SMV*1000 - RRspont * Vdphy).
Kontrollieren.

Kontrolle

Mit Hilfe der geltenden Frequenz das notwendige anfängliche Flutvolumen berechnen, um das erforderliche Volumen pro Minute herzustellen:
newVT = (AMVneeded/RR) + Vdphy.
Wenn PAP> PAP an der Grenze,
Wiederholen
Überprüfen, daß das vorgeschlagene VT & RR bleibt, wenn ihre Grenzen überschritten worden sind (CheckVT, CheckRR); Die Ergebnisse dieser Überprüfungen werden in die Tabelle 1 eingegeben; Die Ergebnisse aus der Tabelle entscheiden, ob die berechneten Sollwerte akzeptabel sind.
Bis das Ergebnis aus der Tabelle entweder "durchführen" oder "nicht möglich" lautet.
Sonst
Wiederholen
Überprüfen VT & RR wenn die Grenzen überschritten sind.
Berechnung von VT & RR mit Hilfe der Tabelle 2.
Bis das Resultat entweder "durchführen" oder "nicht möglich" lautet.

Überprüfen von VT & RR

Check VT:

Wenn VT> maximumVT, lautet das Ergebnis "nicht erhöhen".
Wenn VT< minimumVT, lautet das Ergebnis "nicht senken".
Sonst lautet das Ergebnis "OK".

Check RR

Wenn RR> maximumRR, so lautet das Ergebnis "RR nicht erhöhen".
Wenn RR< minimumRR, so lautet das Ergebnis "RR nicht senken".
Sonst lautet das Ergebnis "OK".

Tabellen

Nach der Überprüfung von VT & RR werden die Ergebnisse von VT & RR in der entsprechenden Tabelle verwendet, um die nächste Berechnung zu bestimmen. Tabelle 1 Tabelle 2
Wenn das Ergebnis "V erhöhen" lautet, muß VT um 50 ml erhöht werden.
Wenn das Ergebnis "V senken" lautet, muß VT um 50 ml gesenkt werden.
Wenn sich VT verändert hat, so muß RR für das erforderliche Minutenvolumen (AMVneeded) erneut berechnet werden.
Neuer RR: AMVneeded / (VT - Vdphy).
Wenn das Ergebnis "RR erhöhen" lautet, so muß RR um 1 BPM erhöht werden. Wenn sich RR verändert hat, so muß ein neuer VT für den erforderlichen AMVneeded berechnet werden:
neuer VT = (AMVneeded/RR) + Vdphy.
Wenn das Ergebnis in der Tabelle "durchführen" lautet,
wenn /IE< minimumIE)
Wenn (der neue RR größer oder gleich dem Sollwert ist)
PAF um 10 LPM erhöhen (sicherstellen, daß das IE-Verhältnis durch Erhöhung der Spitzenströmung der Luft über dem Minimum liegt).
Durchführen des neuen VT & RR.
Wenn das Ergebnis "unmöglich" lautet,
wird ein Alarmsignal ausgelöst, um anzuzeigen, daß die gewünschten Einstellungen nicht möglich sind.
Aus dem Vorgesagten ergibt sich, daß trotz der Darstellung spezieller Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung verschiedene Abänderungen möglich sind, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Verfahren für die kontinuierliche und nicht invasive Überwachung des partiellen Druckes des arteriellen CO&sub2;-Gehalts von künstlich beatmeten Patienten durch Überwachung der Atmung des Patienten und Bestimmung des PaCO&sub2; auf der Grundlage der Bestimmung eines Totraumverhältnisses, das folgende Schritte umfaßt:

a) kontinuierliche Überwachung der meßbaren Parameter der Atmung des Patienten einschließlich des gemischt ausgeatmeten partiellen CO&sub2;-Druckes, des alveolären Flutvolumens und des alveolären Totraums;

b) Bestimmung eines Eingabewertes des PaCO&sub2; auf der Grundlage einer Blutprobe des Patienten und Verwendung der Parameter der Atmung des Patienten und des Eingabewertes, um das Totraumverhältnis zu berechnen; und

c) kontinuierliche Bestimmung des PaCO&sub2; auf der Grundlage der Annahme, daß das Totraumverhältnis anschließend konstant bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Schritt der kontinuierlichen Bestimmung des PaCO&sub2; auf der folgenden Gleichung beruht:

VDALV/VTALV = (PACO&sub2; -PEºCO&sub2;)/(PaCO&sub2; - PiCO&sub2;)

darin ist VDALV der alveoläre Totraum,

VTALV das alveoläre Flutvolumen,

PEºCO&sub2; der gemischt ausgeatmete CO&sub2;-Teildruck aus dem alveolären Flutvolumen, und

PiCO&sub2; ist der eingeatmete CO&sub2;-Teildruck.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die weiteren Schritte der Identifizierung des Eintritts von Veränderungen des Totraumverhältnisses auf der Grundlage von Entscheidungsregeln umfaßt, welche aus anderen meßbaren Daten abgeleitet wurden, sowie die Bestimmung eines neuen Totraumverhältnisses aus den Parametern der Atmung des Patienten und einem weiteren aus der Blutprobe des Patienten gewonnenen Eingabewert des PaCO&sub2;.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifizierung des Eintritts von Veränderungen des Totraumverhältnisses mit Hilfe von Entscheidungsregeln erfolgt, welche aus anderen meßbaren Daten abgeleitet wurden, und Überwachungsparameter umfaßt, die mit der Mechanik der Lunge und der Veränderung der Produktion von CO&sub2; zusammenhängen, wie sie durch den PEºCO&sub2;-Teildruck aus dem alveolären Flutvolumen gemessen wurden.

5. Regelkreis für die kontinuierliche und nicht invasive Überwachung des CO&sub2;- Teildruckes des arteriellen Blutes von künstlich beatmeten Patienten, der folgendes aufweist:

a) Mittel für die Überwachung von kontinuierlich meßbaren Parametern in Bezug auf die Atmung des Patienten, einschließlich des gemischt ausgeatmeten CO&sub2;- Teildruckes, des eingeatmeten CO&sub2;-Teildruckes, des alveolären Flutvolumens und des alveolären Totraumverhältnisses und Bereitstellung entsprechender Daten,

b) Mittel für die Bestimmung eines Totraumvolumens, welche an die Mittel für die Überwachung dieser Parameter angeschlossen sind, um die Daten der Parameter der Atmung zu erhalten, und die so ausgelegt sind, daß sie Informationen in Bezug auf den PaCO&sub2; einer Blutprobe des Patienten auf der Grundlage der PaCO&sub2;-Information und der Daten der Atmungsparameter empfangen können;

c) Mittel für die kontinuierliche Bestimmung des PaCO&sub2; auf der Grundlage des Totraumverhältnisses und der Annahme, daß das Totraumverhältnis anschließend konstant bleibt.

6. Regelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die Überwachung der kontinuierlich meßbaren Parameter in Bezug auf die Atmung des Patienten und die Lieferung von entsprechenden Daten einen Kapnographen enthalten.

7. Regelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die Bestimmung eines Totraumverhältnisses einen Mikroprozessor enthalten.

5. Regelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Mittel für die Identifizierung des Eintritts einer Veränderung in dem Totraumverhältnis vorgesehen sind, um dadurch anzuzeigen, daß eine weitere Blutprobe erforderlich ist, um das Totraumverhältnis auf der Grundlage von Entscheidungsregeln erneut zu berechnen.

9. Regelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Mittel für die Steuerung des Betriebes eines mechanischen Beatmungsgerätes auf der Grundlage der PaCO&sub2;-Werte vorgesehen sind, welche mit Hilfe des Regelkreises bestimmt worden sind.