DE10253946B3 - Procedure for a ventilator, ventilator and storage medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Beatmungsgerät. Hierbei wird ein erstes Polynom an den zeitlichen Verlauf eines Atemflusses angepasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für ein Beatmungsgerät, bei dem die Ableitung des Atemflusses nach der Zeit geschätzt wird und ein zweites Polynom an die Ableitung angepasst wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Beatmungsgerät, insbesondere ein CPAP-Gerät, zur Durchführung dieser Verfahren sowie ein Speichermedium, das entsprechende Programme enthält.The invention relates to a method for a ventilator. Here, a first polynomial is adapted to the time course of a respiratory flow. Furthermore, the invention relates to a method for a ventilator, in which the derivation of the respiratory flow is estimated over time and a second polynomial is adapted to the derivative. Furthermore, the invention relates to a ventilator, in particular a CPAP device, for carrying out these methods and a storage medium containing corresponding programs.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für ein Beatmungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Beatmungsgerät und ein Speichermedium. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Auswertung von Atemzyklen durch das Extrahieren therapierelevanter Information.The invention relates to a Procedure for a respirator according to the generic term of claim 1 and a ventilator and a storage medium. In particular The invention relates to the evaluation of respiratory cycles extracting therapy-relevant information.
Bekannt sind Beatmungsgeräte oder Respiratoren zur maschinellen, künstlichen Beatmung bei allen Formen des Sauerstoffmangelzustands. Sie werden unter anderem für die Langzeitbeatmung eingesetzt, wobei je nach dem Umschaltmechanismus von In- zu Expiration drei Grundtypen unterschieden werden, nämlich druckgesteuerte, volumengesteuerte und zeitgesteuerte Respiratoren. Die Beatmungsgeräte neueren Typs verfügen über technische, meist elektronisch gesteuerte Einrichtungen, die einen patientengerechten Beatmungstyp erlauben. Beispielsweise kann die Inspirationszeit bis auf das Dreifache der Expirationszeit verlängert werden, eine Druckbeatmung durchgeführt werden sowie der Respirator durch den Patienten „getriggert" werden, wobei bereits schwache Atemzüge impulsgebend für die maschinelle Unterstützung sind (Roche Lexikon Medizin, 4. Auflage, herausgegeben von der Hoffmann-La Roche AG und Urban & Fischer, Urban & Fischer, München, Stuttgart, Jena, Lübeck, Ulm).Are known ventilators or Respirators for mechanical, artificial Ventilation in all forms of hypoxia. you will be for, among other the long-term ventilation used, depending on the switching mechanism be differentiated from in- to expiration three basic types, namely pressure-controlled, Volume-controlled and timed respirators. The ventilators newer Type have technical, usually electronically controlled devices that are patient-friendly Allow ventilation type. For example, the inspiratory time be extended to three times the Expirationszeit, a pressure ventilation carried out being as well as the respirator "triggered" by the patient, being already weak breaths impulsive for the machine support are (Roche Lexicon Medicine, 4th edition, edited by the Hoffmann-La Roche AG and Urban & Fischer, Urban & Fischer, Munich, Stuttgart, Jena, Lübeck, Ulm).
Bekannt sind ferner Geräte zur Durchführung der
CPAP (continuous positive airway pressure)-Therapie, die in dieser
Anmeldung auch als Beatmungsgeräte
bezeichnet werden. Die CPAP-Therapie wird in Chest. Volume No. 110,
Seiten 1077–1088,
Oktober 1996 und Sleep, Volume No. 19, Seiten 184–188 beschrieben. Ein
CPAP-Gerät appliziert
mittels eines Kompressors, vorzugsweise über einen Luftbefeuchter, über einen Schlauch
und eine Nasenmaske einen positiven Überdruck bis zu etwa 30 mbar
in den Atemwegen des Patienten. Dieser Überdruck soll gewährleisten,
dass die oberen Atemwege während
der gesamten Nacht vollständig
geöffnet
bleiben und somit keine obstruktiven Atmungsstörungen (Apnoen) auftreten (
Die Drehzahl der Turbine
Im Lauf der Therapie ist eine Überprüfung der Verträglichkeit des Gerätes und des eingestellten CPAP-Drucks notwendig. Gewöhnlich verbringt ein Patient zu diesem Zweck eine Kontrollnacht in einem Schlaflabor.In the course of therapy is a review of compatibility of the device and the set CPAP pressure. Usually a patient spends for this purpose, a night of control in a sleep laboratory.
Es hat sich herausgestellt, dass
die Patienten den vom CPAP-Gerät
erzeugten Überdruck
als unangenehmen Widerstand empfanden, gegen den sie ausatmen mussten.
Es wurden deshalb Steuerverfahren für CPAP-Geräte entwickelt, die den Solldruck
so weit wie möglich
absenken. Die
Die
Um den als unangenehm empfundenen Überdruck
zu reduzieren wurden ferner BiPAP-Geräte und Multilevel-Geräte entwickelt.
Ein solches Gerät
ist in der
Gemäß der
In der
Die Merkmale umfassen die Expirationszeit, eine Rückwärtskorrelation, ein mittleres Inspirationsvolumen, eine mittlere Krümmung des Atemflusses während der Inspiration sowie Häufigkeit von Nulldurchgänge im Wechselanteil des CPAP-Istdrucks.The features include the expiration time, a backward correlation, a mean inspiratory volume, a mean curvature of the Respiratory flow during the inspiration as well as frequency from zero crossings in the Alternating part of the CPAP actual pressure.
Beim Übergang von Inspiration zu Expiration ist im zeitlichen Verlauf des Atemflusses eine ausgeprägte Flanke zu erkennen, welche zur Detektion einzelner Atemzüge verwendet wird. Die lokalen Maxima der ersten Ableitung des Atemflusses nach der Zeit entsprechen der maximalen Steigung des Atemflusses beim Übergang zwischen Inspiration und Expiration. Vom Ende der Inspiration aus wird der Anfang der Inspiration gesucht, indem nach dem ersten lokalen Minimum in der geschätzten Ableitung gesucht wird. Die Expirationszeit ergibt sich als Zeitdifferenz zwischen einem Minimum der geschätzten Ableitung und dem davor liegenden Maximum der geschätzten Ableitung. Auf Grund von Rauschen in der Atemflusskurve wird die Atemflusskurve nicht lediglich abgeleitet, sondern zusätzlich tiefpassgefiltert. Die Ableitung und Tiefpassfilterung erfolgt in einem Filterschritt durch geeignete Wahl der Koeffizienten eines digitalen Filters. "Schätzung der Ableitung" wird in dieser Anmeldung Oberbegriff für ableiten und ableiten mit Tiefpassfilterung verwendet.In the transition from inspiration to Expiration is a pronounced flank in the course of the respiratory flow to detect which used for the detection of individual breaths becomes. The local maxima of the first derivative of the respiratory flow the time correspond to the maximum slope of the respiratory flow at the transition between inspiration and expiration. From the end of inspiration the beginning of the inspiration is searched for, after the first local Minimum in the estimated Derivation is sought. The expiration time is a time difference between a minimum of the estimated Derivative and the preceding maximum of the estimated derivative. Due to noise in the respiratory flow curve, the respiratory flow curve does not only derived, but additionally low-pass filtered. The Derivation and low-pass filtering takes place in a filtering step suitable choice of the coefficients of a digital filter. "Estimation of Derivative "is in this application generic term for Derive and derive used with low pass filtering.
Zur Berechnung der mittleren Krümmung des Atemflusses während der Inspiration wird die geschätzte erste Ableitung des Atemflusses während der Inspiration nach der Zeit verwendet. Anschließend wird an die geschätzte erste Ableitung eine Gerade angepasst. Die Steigung dieser angepassten Geraden ergibt die mittlere Krümmung der Inspiration.To calculate the mean curvature of the Respiratory flow during the inspiration becomes the valued first Derivation of the respiratory flow during used the inspiration after the time. Subsequently, will to the esteemed first derivative adapted a straight line. The slope of this adapted The straight line gives the mean curvature of inspiration.
Gemäß der Lehre der
Für die Erkennung stabiler Atmung verwendet der Normal-Detektor die Rückwärtskorrelation. Stabile Atmung liegt vor, wenn der Solldruck während einer vorgegebenen Zeit z. B. 180 sec. nicht geändert wurde und während dieser Zeit die Rückwärtskorrelation beispielsweise ≥ 0.86 ist.For the detection of stable respiration, the normal detector uses the Reverse correlation. Stable breathing occurs when the set pressure is during a given time z. B. 180 sec. Not changed was and during this time the backward correlation for example ≥ 0.86 is.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiterentwickeltes Verfahren für ein Beatmungsgerät, ein weiterentwickeltes Beatmungsgerät sowie ein Speichermedium anzugeben.The object of the invention is a advanced method for a respirator, an advanced ventilator and a storage medium specify.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This task is accomplished by the objects of independent claims solved.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred developments of the invention are the subject of the dependent Claims.
Vorteilhaft am Anpassen eines Polynoms an den zeitlichen Verlauf einer Atemflusskurve oder deren Ableitung ist eine erhebliche Datenreduzierung, eine Tiefpassfilterung zur Rauschunterdrückung sowie die Extraktion therapierelevanter Information, also Information, die den Zustand des Patienten charakterisiert. Diese Information kann in vorteilhafter Weise sofort vom Beatmungsgerät beispielsweise zur Korrektur eines Solldrucks verwendet werden.Beneficial to fitting a polynomial on the time course of a respiratory flow curve or its derivation is a significant data reduction, a low-pass filtering for noise reduction as well as the extraction of therapy-relevant information, ie information, which characterizes the condition of the patient. This information can advantageously immediately from the ventilator, for example be used to correct a target pressure.
Ferner kann das Polynom in Form seiner Koeffizienten gespeichert werden und Oftline von einem Arzt zur Therapiekontrolle ausgewertet werden. Diese Form der Auswertung macht für einen geringen Mehraufwand an elektronischen Bauteilen Kontrollnächte in Schlaflabors überflüssig, wodurch sich eine Kostenvorteil für die Krankenkassen ergibt. Die Daten, die während einer Kontrollnacht gewonnen werden, können so auf für den Patienten angenehmere Weise in seiner häuslichen Umgebung aufgezeichnet werden.Furthermore, the polynomial in the form of his Coefficients are stored and Oftline by a doctor Therapy control are evaluated. This form of evaluation makes for a small extra effort on electronic components Sleep laboratories superfluous, causing itself a cost advantage for the health insurance companies. The data gained during a control night can, can so on for the patient more pleasantly recorded in his home environment become.
Ein an den Atemflussverlauf während einer Inspirationsphase angepasstes Polynom vierten Grades enthält gerade noch die therapierelevante Information und stellt so einen guten Kompromiss zwischen Datenreduktion und Beibehalten von therapierelevanter Information dar.An on the respiratory flow during a Inspiratory phase adapted fourth degree polynomial contains straight nor the treatment-relevant information and thus provides a good Compromise between data reduction and maintaining therapy-relevant Information is.
Das Anpassen des Polynoms an eine Inspirationsphase des Atemflussverlaufs ist insbesondere für die CPAP-Therapie vorteilhaft, weil nur während der Inspirationsphase der Druck in den Atemwegen geringer als der Umgebungsdruck ist und deshalb die Atemwege zusammenfallen und zu einer Apnoe führen können.Adapting the polynomial to a Inspiration phase of the respiratory flow is especially for CPAP therapy advantageous because only during the inspiratory phase the pressure in the airways is less than that Ambient pressure is and therefore the airways collapse and shut to lead an apnea can.
Das Vorsehen einer Schnittstelle für eine externe Speichereinheit macht das Beatmungsgerät bedienungsfreundlicher, weil der Patient nicht das ganze Gerät, sondern lediglich die externe Speichereinheit für die Therapiekontrolle zum Arzt bringen muss.The provision of an interface for one external storage unit makes the ventilator more easy to use because the patient does not use the whole device, but only the external memory unit for therapy control for Doctor must bring.
Noch bequemer ist die Datenfernübertragung per Modem, weil hier kein physikalischer Gegenstand bewegt werden muss.Even more convenient is the remote data transmission via modem, because no physical object is moved here got to.
In vorteilhafter Weise können die drei evtl. komplexen Nullstellen der Ableitung eines Polynoms vierten Grades, das an den zeitlichen Atemflussverlauf angepasst wurde, zur Einstellung des Solldrucks herangezogen werden. In gleicher Weise eignen sich die drei evtl. komplexen Nullstellen eines Polynoms dritten Grades, das an die zeitliche Ableitung des Atemflussverlaufs angepasst wurde.Advantageously, the three possibly complex zeros of the derivation of a polynomial of the fourth degree, which was adapted to the temporal flow flow, for adjustment the target pressure are used. In the same way are suitable the three possibly complex zeros of a third degree polynomial, the was adapted to the time derivative of the respiratory flow course.
Ein Merkmal für die Qualität der Atmung ist der Imaginärteil der konjugiert komplexen Nullstellen, falls vorhanden.A quality feature for breathing is the imaginary part the conjugate complex zeros, if any.
Ein noch stabileres Merkmal scheint die Fläche des von den drei Nullstellen in der komplexen Ebene aufgespannten Dreiecks zu sein.An even more stable feature seems the area of the three zeros spanned in the complex plane To be a triangle.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:The following are preferred embodiments the invention explained with reference to the accompanying drawings. there demonstrate:
Wie oben erwähnt, verbringt herkömmlicherweise ein Patient zur Therapiekontrolle hin und wieder eine Kontrollnacht in einem Schlaflabor. Die Informationen, die in einer Kontrollnacht gewonnen werden, lassen sich im wesentlichen aus den aufgezeichneten Flussdaten extrahieren. Insbesondere muss zur Therapiekontrolle anhand der aufgezeichneten Flussdaten entschieden werden, ob der Atemfluss während des Schlafs begrenzt ist oder nicht. Deshalb lassen sich Kontrollnächte mit einer Speichervorrichtung für Flussdaten am CPAP-Gerät einsparen.As mentioned above, traditionally spends a patient for therapy control every now and then a night of control in a sleep laboratory. The information in a control night can be obtained essentially from the recorded Extract flow data. In particular, for therapy control be decided on the basis of the recorded flow data, whether the Respiratory flow during of sleep is limited or not. That's why you can take control nights with you a storage device for Flow data on the CPAP device save.
Die erforderliche Datenmenge lässt sich wie folgt abschätzen: Bei einer durchschnittlichen Schlafdauer von 8 Stunden entsprechend 28800 s atmet ein Mensch ca. 28 800s/3 s = 9600 mal. Bei einer Sampling-Rate von 100 Hz beläuft sich somit die Datenanzahl auf 2,88⋅106 Datenpunkte pro Nacht. Diese Datenmenge ist für eine Speicherung in einem herkömmlichen CPAP-Gerät zu groß.The required amount of data can be estimated as follows: With an average sleep time of 8 hours corresponding to 28800 s, a person breathes about 28,800s / 3 s = 9600 times. At a sampling rate of 100 Hz, the data count is 2.88⋅10 6 data points per night. This amount of data is too large for storage in a conventional CPAP device.
Die therapierelevante Information
in den unterschiedlichen Inspirationsmustern bei normaler bzw. flusslimitierter
Atmung lässt
sich mit einem reellen Polynom
Mehrere Inspirationsphasen von normalen
und flusslimitierten Atemzügen
sind in den
In Gleichung 1 ist V(t) der Luftfluss, t die Zeit und a0 bis a4 wählbare Polynomkoeffizienten. Zur Darstellung einer Inspirationsphase genügt es, die 5 Polynomkoeffizienten a0 bis a4 zu speichern. Somit reduziert sich der Speicherbedarf pro Nacht bei 9 600 Atemzügen auf 48 000 Polynomkoeffizienten anstelle von 2,88⋅106 Datenpunkten. Der Speicherbedarf reduziert sich also um einen Faktor 60.In Equation 1, V (t) is the air flow, t is time, and a 0 through a 4 are selectable polynomial coefficients. To represent an inspiration phase, it is sufficient to store the 5 polynomial coefficients a 0 to a 4 . Thus, the memory requirement per night with 9 600 breaths is reduced to 48 000 polynomial coefficients instead of 2.88⋅10 6 data points. The memory requirement is thus reduced by a factor of 60.
Das Anpassen der Polynomkoeffizienten a0 bis a4 kann in herkömmlicher Weise dadurch erfolgen, dass die Summe Quadrate der Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Flusswerten gemäß Gleichung 2 minimiert werden. Hierzu gibt es bekannte Algorithmen, die eine numerisch aufwendige Minimumsuche durch das Lösen eines linearen Gleichungssystems bewerkstelligen. In anderen Ausführungsformen können andere Kriterien für das Anpassen eines Polynoms, insbesondere eines 4. Ordnung an den Atemflussverlauf herangezogen werden. Insbesondere können gemäß Gleichung 3 die Summe der Absolutwert der Differenzen zwischen Messwerten und Polynomwerten minimiert werden. The adaptation of the polynomial coefficients a 0 to a 4 can be carried out in a conventional manner by minimizing the sum squares of the deviations between measured and calculated flux values according to Equation 2. For this purpose, there are known algorithms that accomplish a numerically complex minimum search by solving a linear system of equations. In other embodiments, other criteria may be used for fitting a polynomial, in particular a 4th order, to the flow of the respiratory flow. In particular, according to Equation 3, the sum of the absolute values of the differences between measured values and polynomial values can be minimized.
Ein Polynom
Ein Polynom
Es hat sich herausgestellt, dass
die Auswertung des Betrags der betragsmäßig gleichgroßen Imaginärteile der
beiden konjugiert komplexen Nullstellen ein Merkmal im Sinne der
Nach derzeitigem Kenntnisstand ist
die Fläche
des durch die drei Nullstellen in der komplexen Ebene aufgespannten
Dreiecks sogar ein noch stabileres Merkmal im Sinne der
Zur Definition eines weiteren Normal-Detektors kann diese Dreiecksfläche mit einem Schwellenwert verglichen werden, wobei ein Normalereignis vorliegt, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Auch ein so definierter Normal-Detektor liefert pro Atemzug ein Ergebnis.To define another normal detector can this triangular area are compared to a threshold, where a normal event is present when the threshold is exceeded. Also a Thus defined normal detector delivers a result per breath.
Vorteilhaft an solchen Merkmalen
ist, dass sie die Qualität
von Normalatmung bewerten können.
Eine Drucksteuerung zur optimalen Einstellung des Solldrucks in
einem CPAP-Gerät
braucht dann nicht mehr, wie in der SEP
In einer anderen Ausführungsform kann ein Polynom dritten Grades (siehe Gleichung 4) an die zeitliche Ableitung oder die geschätzte zeitliche Ableitung des Atemflusses angepasst werden. Die zeitliche Ableitung des Atemflusses wird zur Bestimmung der Übergänge zwischen Inspiration und Expiration sowieso geschätzt, so dass Daten über die Ableitung des Atemflusses vorliegen. Das Anpassen eines Polynoms dritten Grades ist weniger rechenaufwendig als die Anpassung eines Polynoms vierten Grades. Das Anpassen des Polynoms an die Ableitung kann gemäß der in Gleichungen 2 und 3 genannten Kriterien oder anderer Kriterien erfolgen. Da das Anpassen von Polynomen an Messkurven keine lineare Operation ist, werden sich durch das Vertauschen der Reihenfolge von Polynomanpassung und Ableitung leicht unterschiedliche Koeffizienten für die Polynome dritter Ordnung ergeben, auch wenn von identischen Messdaten ausgegangen wird. Somit werden auch die Nullstellen leicht unterschiedlich sein. Dies kann jedoch durch ein Verschieben der Schwellenwerte in den entsprechenden Normal-Detektoren ausgeglichen werden.In another embodiment can be a third degree polynomial (see equation 4) to the temporal Derivative or the estimated temporal derivative of the respiratory flow to be adjusted. The temporal Derivation of the respiratory flow is used to determine the transitions between Inspired and Expiration anyway, so that data on the Derivation of the respiratory flow are present. The fitting of a polynomial third degree is less computationally expensive than the adaptation of a Polynom's fourth degree. Adapting the polynomial to the derivative can according to the in Equations 2 and 3 or other criteria. Because fitting polynomials to waveforms is not a linear operation is, by interchanging the order of polynomial fitting and derivative slightly different coefficients for the polynomials third order, even if assumed identical measurement data becomes. Thus, the zeros will be slightly different. However, this can be done by moving the thresholds into the corresponding normal detectors are compensated.
Die Polynome dritter Ordnung enthalten zwar weniger therapierelevante Information. Insbesondere enthalten diese Polynome keine Information über das mittlere Inspirationsvolumen. Wenn es hierauf jedoch nicht ankommt, können auch die Koeffizienten der Polynome dritter Ordnung aufgezeichnet werden und später von einem Arzt zur Therapiekontrolle ausgewertet werden.Contain the third-order polynomials Although less treatment-relevant information. In particular included these polynomials have no information about the mean inspiratory volume. If it does not matter, then the coefficients can also be used the polynomials of the third order are recorded later and later be evaluated by a doctor for therapy control.
Ein Beatmungsgerät kann zur Durchführung des
Datenreduktionsverfahrens einen digitalen Signalprozessor (DSP)
und/oder einen Mikrocontroller
In einer anderen Ausführungsform
kann das Beatmungsgerät
mit einem Modem
Die Erfindung wurde zuvor anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Für einen Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Abwandlungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Deshalb wird der Schutzbereich durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Äquivalente festgelegt.The invention has been described above of preferred embodiments explained in more detail. For a specialist However, it is obvious that various modifications and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the scope of protection by the following claims and their equivalents established.
- 11
- CPAP-GerätLochCPAP device hole
- 22
- Lochhole
- 44
- Kompressorcompressor
- 55
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 66
- Steckplatzslot
- 77
- Speichermediumstorage medium
- 88th
- Turbineturbine
- 99
- Beatmungsschlauchbreathing tube
- 1010
- Datenleitungdata line
- 1111
- Drucksensorpressure sensor
- 1212
- Modemmodem
- 1616
- Flusssensorflow sensor
- 1717
- Heizdrahtheating wire
- 1818
- Beatmungsmaskebreathing mask
- 1919
- SchlafenderSleeping
- 4040
- FlußdiagrammFlow chart
- 41–4841-48
- Schrittesteps
- 5050
- FlußdiagrammFlow chart
- 51–5851-58
- Schrittesteps
- 8181
- gemessene Atemflusskurvemeasured Respiratory flow curve
- 8282
- angepasste Atemflusskurvecustomized Respiratory flow curve
- 8383
- gemessene Atemflusskurvemeasured Respiratory flow curve
- 8484
- angepasste Atemflusskurvecustomized Respiratory flow curve
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