WO2004045669A2 - Ventilator method, ventilator and memory medium - Google Patents

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WO2004045669A2
WO2004045669A2 PCT/DE2003/003591 DE0303591W WO2004045669A2 WO 2004045669 A2 WO2004045669 A2 WO 2004045669A2 DE 0303591 W DE0303591 W DE 0303591W WO 2004045669 A2 WO2004045669 A2 WO 2004045669A2
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Description

Verfahren für ein Beatmungsgerät, Beatmungsgerät sowie Speichermedium Procedure for a ventilator, ventilator and storage medium
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 5 Atemzyklen durch das Extrahieren therapierelevanter Information.The invention relates to a method for a ventilator according to the preamble of patent claim 1 and a ventilator and a storage medium. In particular, the invention relates to the evaluation of 5 breathing cycles by 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 unterschiedenVentilators or respirators for mechanical, artificial respiration in all forms of oxygen deprivation are known. They are used, among other things, for long-term ventilation, with three basic types depending on the switchover mechanism from in to expiration
10 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 sowie10, namely pressure-controlled, volume-controlled and timed respirators. The newer type ventilators have technical, mostly electronically controlled, facilities that allow a patient-friendly type of ventilation. For example, the inspiratory time can be extended up to three times the expiration time, a pressure ventilation can be performed as well
15 der Respirator durch den Patienten „getriggert" werden, wobei bereits schwache Atemzüge impulsgebend für die maschinelle Unterstützung sind (Röche Lexikon Medizin, 4. Auflage, herausgegeben von der Hoffmann-La Röche AG und Urban & Fischer, Urban & Fischer, München, Stuttgart, Jena, Lübeck, Ulm).15 the respirator are "triggered" by the patient, with already weak breaths impulsing the machine support (Röche Lexicon Medicine, 4th edition, edited by Hoffmann-La Röche AG and Urban & Fischer, Urban & Fischer, Munich, Stuttgart , Jena, Lübeck, Ulm).
Bekannt sind ferner Geräte zur Durchführung der CPAP (continuous positive airway 20 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 25 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 (DE 198 49571 A1).Also known are devices for carrying out the CPAP (continuous positive airway 20 pressure) therapy, which are referred to in this application as ventilators. The CPAP therapy is in Chest. Volume No. 110, pages 1077-1088, October 1996 and Sleep, Volume No. 19, pages 184-188. A CPAP device applied by means of a compressor, preferably via a humidifier, via a hose and a nasal mask a positive overpressure up to about 25 30 mbar in the respiratory tract of the patient. This overpressure is intended to ensure that the upper airways remain fully open during the entire night and thus no obstructive respiratory disorders (apnea) occur (DE 198 49571 A1).
Fig. 1 zeigt CPAP-Gerät 1 und einen Patienten 19. Das CPAP-Gerät wiederumFig. 1 shows CPAP device 1 and a patient 19. The CPAP device in turn
30 umfasst einen Kompressor 4, einen Beatmungsschlauch 9, eine Beatmungsmaske30 includes a compressor 4, a breathing tube 9, a respiratory mask
18, einen Drucksensor 11 sowie einen Flusssensor 16. Zur Erzeugung eines18, a pressure sensor 11 and a flow sensor 16. To generate a
Überdrucks enthält der Kompressor eine Turbine 8. Die Turbine wird auch als Lüfter, Lüftereinheit, Verdichter, Ventilator oder Gebläse bezeichnet. Diese Begriffe werden in diesem Patent synonym verwendet. Bei dem dargestellten CPAP-Gerät befindet sich der Drucksensor 11 im Kompressorgehäuse. In oder nahe bei der Maske sind ein oder mehrere kleine Löcher 2 angebracht, so dass im zeitlichen Mittel ein Luftstrom vom Kompressor zu den Löchern 2 entsteht. Dies verhindert die Anreicherung von CO2 in Beatmungsschlauch 9 und ermöglicht die Versorgung des Patienten mit Sauerstoff.Overpressure, the compressor contains a turbine 8. The turbine is also called a fan, Fan unit, compressor, fan or blower. These terms are used synonymously in this patent. In the illustrated CPAP device, the pressure sensor 11 is located in the compressor housing. In or near the mask, one or more small holes 2 are attached, so that on average over time an air flow from the compressor to the holes 2 is formed. This prevents the accumulation of CO 2 in the breathing tube 9 and allows the supply of oxygen to the patient.
Die Drehzahl der Turbine 8 wird durch einen Mikrocontroller 5 so geregelt, dass der mit dem Drucksensor 11 gemessene Istdruck mit einem vorgegebenen Solldruck übereinstimmt. Der Solldruck wird herkömmlicherweise unter Aufsicht eines Arztes voreingestellt und als Titrationsdruck bezeichnet. Der Flusssensor kann z. B. ein Sensor mit Heizdraht 17 sein, der sein Messsignal über eine Messleitung an den Mikrocontroller im Kompressorgehäuse liefert. Bei einer anderen Bauform des CPAP-Geräts kann für die Atemflussmessung eine Verengung im Beatmungsschlauch vorgesehen sein. Der Mikrocontroller kann auch die Druckregelung übernehmen.The speed of the turbine 8 is controlled by a microcontroller 5 so that the measured with the pressure sensor 11 actual pressure coincides with a predetermined target pressure. The target pressure is conventionally preset under the supervision of a physician and referred to as titration pressure. The flow sensor can, for. Example, be a sensor with heating wire 17, which delivers its measuring signal via a measuring line to the microcontroller in the compressor housing. In another design of the CPAP device, a narrowing in the breathing tube may be provided for the respiratory flow measurement. The microcontroller can also take over the pressure control.
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, a check of the compatibility of the device and the set CPAP pressure is necessary. A patient usually spends a night in a sleep laboratory for this purpose.
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 WO 94/23780 beschreibt ein solches Verfahren zur Steuerung des Solldrucks. Falls keine Atmungsstörungen während des Schlafes auftreten, wird der Druck allmählich abgesenkt. Falls Schlafstörungen wie Apnoen, Hypopnoen oder Schnarchen auftreten wird der Druck erhöht.It has been found that the patients found the overpressure generated by the CPAP device an unpleasant resistance against which they had to exhale. Therefore, control methods have been developed for CPAP devices that lower the target pressure as much as possible. WO 94/23780 describes such a method for controlling the desired pressure. If no respiratory disturbances occur during sleep, the pressure is gradually lowered. If sleep disorders such as apneas, hypopneas or snoring occur, the pressure is increased.
Die US 5,335,654, EP 0 612 257 B1, WO 99/24099 und EP 0 934 723 A1 beschreiben ähnliche Verfahren.US 5,335,654, EP 0 612 257 B1, WO 99/24099 and EP 0 934 723 A1 describe similar processes.
Um den als unangenehm empfundenen Überdruck zu reduzieren wurden femer BiPAP-Geräte und Multilevel-Geräte entwickelt. Ein solches Gerät ist in der DE 691 32 030 T2 beschrieben. Der Druck wird durch ein Ventil während des Einatmens angehoben und während des Ausatmens abgesenkt.In order to reduce the perceived overpressure, further BiPAP devices and multilevel devices were developed. Such a device is described in DE 691 32 030 T2 described. The pressure is raised by a valve during inhalation and lowered during exhalation.
Gemäß der US 5,740,795 wird das Atemflusssignal einem bandbegrenzten Differentiator zugeführt. Wenn das Ausgangssignal des Differentiators eine Einatemschwelle überschreitet oder eine Ausatemschwelle unterschreitet wird ein Ausatemdetektionssignal bzw. ein Einatemdetektionssignal ermittelt.According to US Pat. No. 5,740,795, the respiratory flow signal is supplied to a band-limited differentiator. If the output signal of the differentiator exceeds an inhalation threshold or falls below an exhalation threshold, an exhalation detection signal or a one-event detection signal is determined.
In der DE 101 18 968 ist weiteres ein Steuerungsverfahren für CPAP-Geräte beschrieben. Die DE 101 18 968 wird durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeschlossen. Das Steuerungsverfahren berechnet zunächst aus einer gemessenen Atemflusskurve und einer gemessenen Istdruckkurve eines CPAP- Geräts Merkmale. Spezielle Kombinationen der Merkmale werden zu Detektoren zusammengefasst. In den Detektoren werden Flags gesetzt, wenn sie ein Ereignis detektieren. Das Steuerverfahren verändert dann anhand der Ereignis-Flags der Detektoren den Solldruck.In DE 101 18 968 further a control method for CPAP devices is described. DE 101 18 968 is incorporated by reference into this application. The control method first calculates characteristics from a measured respiratory flow curve and a measured actual pressure curve of a CPAP device. Special combinations of features are combined into detectors. Flags are set in the detectors when they detect an event. The control method then changes the target pressure based on the event flags of the detectors.
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.Features include expiration time, backward correlation, mean inspiratory volume, mean curvature of inspiratory flow during inspiration, and frequency of zero crossings in the AC component of CPAP actual pressure.
Beim Übergang von Inspiration zu Expiration ist im zeitlichen Verlauf des Atemflusses eine ausgeprägte Flanke zu erkennen, welche zur Detektion einzelnerDuring the transition from inspiration to expiration, a pronounced flank can be seen in the course of the respiratory flow, which is used to detect the individual
Atemzüge verwendet wird. Die lokalen Maxima der ersten Ableitung desBreaths is used. The local maxima of the first derivative of the
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 alsRespiratory flow after time corresponds to the maximum slope of the respiratory flow at the transition between inspiration and expiration. From the end of inspiration, the beginning of inspiration is searched for by searching for the first local minimum in the estimated derivative. The expiration time is given as
Zeitdifferenz zwischen einem Minimum der geschätzten Ableitung und dem davor liegenden Maximum der geschätzten Ableitung. Auf Grund von Rauschen in derTime difference between a minimum of the estimated derivative and the previous maximum of the estimated derivative. Due to noise in the
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 derRespiratory flow curve, the respiratory flow curve is not only derived, but also low-pass filtered. The derivative and low pass filtering is done in a filtering step by suitable choice of the coefficients of a digital filter. "Estimation of
Ableitung" wird in dieser Anmeldung Oberbegriff für ableiten und ableiten mitDerivation "is derived in this application generic term for and derive with
Tiefpassfilterung verwendet. 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.Low pass filtering used. To calculate the mean curvature of the respiratory flow during inspiration, the estimated first derivative of the respiratory flow during inspiration is used over time. Then, a straight line is fitted to the estimated first derivative. The slope of this fitted straight line gives the mean curvature of inspiration.
Gemäß der Lehre der DE 101 18 968 werden aus den Merkmalen ein Atemstillstands-Detektor, ein Apnoe-Detektor, ein Hypopnoe-Detektor und ein Atemflusslimitations-Detektor als Hinweis auf eine Druckerhöhung sowie ein Normal-Detektor als Hinweis auf stabile Atmung und mögliche Drucksenkung berechnet.According to the teaching of DE 101 18 968, the features calculate a respiratory arrest detector, an apnea detector, a hypopnea detector and a respiratory flow limitation detector as an indication of an increase in pressure as well as a normal detector as an indication of stable respiration and possible pressure reduction ,
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 backward correlation. Stable breathing is when the set pressure for a given time z. B. 180 sec. Was not changed and during this time the backward correlation, for example,> 0.86.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiterentwickeltes Verfahren für ein Beatmungsgerät, ein weiterentwickeltes Beatmungsgerät sowie ein Speichermedium anzugeben.The object of the invention is to provide a further developed method for a respirator, an advanced ventilator and a storage medium.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is solved by the subject matters of the independent claims.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments 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.An advantage of adapting a polynomial to the time course of a respiratory flow curve or its derivation is a considerable data reduction, a low-pass filtering for noise suppression and the extraction therapy-relevant information, ie information that characterizes the condition of the patient. This information can be used in an advantageous manner immediately by the ventilator, for example, to correct a target pressure.
Ferner kann das Polynom in Form seiner Koeffizienten gespeichert werden undFurthermore, the polynomial can be stored in terms of its coefficients and
Offline 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.Be evaluated offline by a doctor for therapy control. This form of evaluation makes for a little extra work on electronic components Check nights in sleep laboratories redundant, resulting in a cost advantage for the health insurance companies. The data obtained during a control night can thus be recorded in a more comfortable way for the patient in his home environment.
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.A fourth-degree polynomial adapted to the course of the respiratory flow during an inspiration phase just contains the therapy-relevant information and thus represents a good compromise between data reduction and maintenance of therapy-relevant information.
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.The adaptation of the polynomial to an inspiratory phase of the respiratory flow path is particularly advantageous for CPAP therapy because only during the inspiratory phase is the pressure in the respiratory tract lower than the ambient pressure and therefore the respiratory tract can collapse and lead to apnea.
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 external storage unit interface makes the ventilator easier to use because the patient does not need to bring the entire device but only the external therapy control storage unit to the doctor.
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 here no physical object has to be moved.
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 course of the respiratory flow, can be used to set the desired pressure. In the same way, the three possibly complex zeros of a polynomial of third degree, which was adapted to the time derivative of the Atemflussverlaufs suitable.
Ein Merkmal für die Qualität der Atmung ist der Imaginärteil der konjugiert komplexen Nullstellen, falls vorhanden.A quality feature of respiration is the imaginary part of the complex conjugate 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 appears to be the area of the triangle spanned by the three zeros in the complex plane.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 ein CPAP-Gerät,In the following preferred embodiments of the invention will be explained with reference to the accompanying drawings. Showing: 1 shows a CPAP device,
Fig. 2 Inspirationsphasen einer Atemflusskurve bei regelmäßiger Atmung,2 inspiratory phases of a respiratory flow curve with regular breathing,
Fig. 3 Inspirationsphasen einer Atemflusskurve bei flusslimitierter Atmung, sowieFIG. 3 inspiration phases of a respiratory flow curve during flow-limited respiration, as well as FIG
Fig. 4 und 5 Flussdiagramme zweier erfindungsgemäßer Verfahren.4 and 5 are flowcharts of two methods according to the invention.
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, a patient is traditionally spending a control night in a sleep laboratory for therapy control. The information obtained during a night of control can essentially be extracted from the recorded flow data. In particular, it must be decided for therapy control based on the recorded flow data, whether the respiratory flow during sleep is limited or not. Therefore, control nights can be saved with a flow data storage device on the CPAP device.
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 4. Ordnung (Gleichung 1) herausfiltern. Ein Polynom 4. Ordnung enthält genügend Information, um die unterschiedlichen Inspirationsmuster zwischen normaler und flusslimitierter Atmung genau genug zu beschreiben, um sich zur Therapiekontrolle zu eignen.The therapy-relevant information in the different inspiration patterns with normal or flow-limited respiration can be filtered out with a real polynomial of 4th order (equation 1). A 4th order polynomial contains enough information to describe the different inspiratory patterns between normal and flow-limited breathing accurately enough to be suitable for therapy control.
Mehrere Inspirationsphasen von normalen und flusslimitierten Atemzügen sind in den Fig. 2 bzw. 3 dargestellt. Die weniger glatten Kurven 81 und 83 stellen die gemessenen Flussdaten dar. Die glatteren Kurven 82 und 84 sind die an die Flussdaten angepassten Polynome 4. Ordnung. Man erkennt deutlich, dass die Inspirationsphasen von normalen, regelmäßigen Atemzügen in Fig. 2 nach unten geöffneten Parabeln ähneln. Im Gegensatz dazu weisen die in Fig. 3 dargestellten Inspirationsphasen einen eher eckigen, parallelogrammförmigen Verlauf auf. Nach einem Maximum nach dem ersten Fünftel der Inspirationsphase fällt der Atemfluss langsam fast bis zum Ende der Inspirationsphase ab. Der Abfall des Atemflusses beschleunigt sich oft erst im letzten Zehntel der Inspirationsphase. Wie man an den glatteren Polynomkurven 84 sieht, verläuft der Atemfluss über einen weiten Teil der zweiten Hälfte der Inspirationsphasen horizontal oder hat sogar in der zweiten Hälfte der Inspirationsphasen ein lokales Maximum. Insbesondere bei der ersten, dritten und vierten der in Fig. 3 dargestellten Inspirationsphasen weisen die angepassten Polynome zwei Maxima und ein dazwischen liegendes lokales Minimum auf.Several inspiration phases of normal and flow-limited breaths are shown in Figs. 2 and 3, respectively. The less smooth curves 81 and 83 represent the measured flux data. The smoother curves 82 and 84 are the 4th order polynomials matched to the flow data. It can be seen clearly that the inspiration phases of normal, regular breaths in FIG. 2 are similar to parabolas that are open at the bottom. In contrast, the inspiration phases shown in FIG. 3 have a more angular, parallelogram-shaped course. After a maximum after the first fifth of the inspiration phase, the respiratory flow drops slowly almost to the end of the inspiration phase. The drop in the respiratory flow often accelerates only in the last tenth of the inspiration phase. As can be seen from the smoother polynomial curves 84, the respiratory flow runs horizontally for a large part of the second half of the inspiratory phases or even has a local maximum in the second half of the inspiration phases. Particularly in the first, third and fourth of the inspiration phases illustrated in FIG. 3, the adjusted polynomials have two maxima and a local minimum lying therebetween.
V(t) = a0 + a-,t + a2t2 + a3t3 + a4t4 (1 )V (t) = a 0 + a-, t + a 2 t 2 + a 3 t 3 + a 4 t 4 (1)
In Gleichung 1 ist V(t) der Luftfluss, t die Zeit und a0 bis a*. wählbare Polynomkoeffizienten. Zur Darstellung einer Inspirationsphase genügt es, die 5In Equation 1, V (t) is the air flow, t is time and a is 0 to a *. selectable polynomial coefficients. To illustrate an inspiratory phase, it is sufficient, the 5
Polynom koeffizienten a0 bis a4 zu speichern. Somit reduziert sich derPolynomial coefficients a 0 to a 4 store. Thus, the reduced
Speicherbedarf pro Nacht bei 9 600 Atemzügen auf 48 000 Polynom koeffizienten anstelle von 2,88 -106 Datenpunkten. Der Speicherbedarf reduziert sich also um einen Faktor 60.Memory requirement per night for 9,600 breaths 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 a* 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 * can be done 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.
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∑ VVii --VV((ttiijJ == min (3) Ein Polynom 4. Ordnung kann entweder 1 oder 3 Extrema besitzen. Wie Fachleuten bekannt ist, findet man Extrema, indem man in der Ableitung nach Nullstellen sucht. Gleichung 4 enthält die Ableitung des Polynoms 4. Ordnung aus Gleichung 1 nach der Zeit. Es kann als Polynom 3. Ordnung mit dem Koeffizienten b0 bis b3 dargestellt werden. Die Koeffizienten b0 bis b3 können durch einen Koeffizientenvergleich mit dem Koeffizienten a-i bis a in einen Zusammenhang gesetzt werden.Σ VVii --VV ((ttiijJ == min (3) A 4th order polynomial can have either 1 or 3 extrema. As is known to those skilled in the art, extrema is found by searching for zeros in the derivative. Equation 4 contains the derivation of the 4th order polynomial from Equation 1 by time. It can be represented as 3rd order polynomial with the coefficients b 0 to b 3 . The coefficients b 0 to b 3 can be related by a coefficient comparison with the coefficients ai to a.
— V(t) = V(t) = a-, + 2a2t + 3a3t2 + 4a4t3 = b0 + b-,t + b2t2 + b3t3 (4) dt- V (t) = V (t) = a-, + 2a 2 t + 3a 3 t 2 + 4a 4 t 3 = b 0 + b-, t + b 2 t 2 + b 3 t 3 (4) dt
V(t) = b0 +b1t + b2t2 + b3t3 =0 (5)V (t) = b 0 + b 1 t + b 2 t 2 + b 3 t 3 = 0 (5)
Ein Polynom 3. Ordnung mit reellen Koeffizienten weist drei Nullstellen n-i, n2 und n3 auf, von denen zwei konjugiert komplexe Nullstellen sein können. Ohne Beschränken der Allgemeinheit soll die Nullstelle ni stets reell sein. Findet man in Gleichung 5 drei reelle Nullstellen, so hat das entsprechende Polynom 4. Ordnung in Gleichung 1 zwei lokale Maxima und ein lokales Minimum (vgl. Inspirationsmuster in Fig. 3). Findet man lediglich eine reelle von zwei konjugiert komplexen Nullstellen in Gleichung 5, so hat das entsprechende Polynom 4. Ordnung in Gleichung 1 lediglich ein Maximum. In letzterem Fall gleichen die Inspirationsphasen nach unten geöffneten Parabeln (vgl. Inspirationsmuster in Fig. 2).A third-order polynomial with real coefficients has three zeroes ni, n 2 and n 3 , two of which may be conjugate complex zeros. Without limiting the generality, the zero ni should always be real. If one finds three real zeros in Equation 5, then the corresponding 4th order polynomial in Equation 1 has two local maxima and a local minimum (see Inspirational Pattern in Figure 3). If one finds only a real of two complex conjugate zeros in Equation 5, then the corresponding 4th order polynomial in Equation 1 has only one maximum. In the latter case, the inspiration phases are similar to parabolas open at the bottom (see inspiration pattern in Fig. 2).
Es hat sich herausgestellt, dass die Auswertung des Betrags der betragsmäßig gleichgroßen Imaginärteile der beiden konjugiert komplexen Nullstellen ein Merkmal im Sinne der DE 101 18 968 liefert. Je größer der Betrag der Imaginärteile, desto stabiler ist die Atmung. Hieraus kann ein anderer Normal-Detektor im Sinne von DE 101 18 968 gewonnen werden, indem der Betrag der Imaginärteile mit einem Schwellenwert verglichen wird und ein Normalereignis ermittelt wird, falls der Betrag der Imaginärteile über dem Schwellwert liegt. Vorteilhaft an einem solchen Normal- Detektor gegenüber dem auf der Rückwärtskorrelation beruhendem Normal- Detektor aus DE 101 18 968 ist, dass er pro Atemzug ein Ergebnis liefert, also nicht eine Vielzahl von Atemzügen benötigt.It has been found that the evaluation of the magnitude of the imaginary parts of equal magnitude of the two complex conjugate zeros provides a feature in the sense of DE 101 18 968. The greater the amount of imaginary parts, the more stable is the respiration. From this, another normal detector in the sense of DE 101 18 968 can be obtained by comparing the magnitude of the imaginary parts with a threshold value and determining a normal event if the magnitude of the imaginary parts is above the threshold value. The advantage of such a normal detector over the normal detector based on the backward correlation from DE 101 18 968 is that it delivers a result per breath, ie does not require a large number of breaths.
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 DE 101 18 968. Sollten sich bei instabiler Atmung drei reelle Nullstellen ergeben, so ist diese Fläche Null. Durch Berechnung der Fläche braucht keine Fallunterscheidung zwischen drei reellen oder nur einer reellen Nullstelle durchgeführt werden.According to the current state of knowledge, the area of the triangle spanned by the three zeros in the complex plane is even an even more stable feature in the sense of DE 101 18 968. If unstable breathing occurs, there should be three real zeros result, this area is zero. By calculating the area, no case distinction needs to be made between three real or only one real zero.
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, this triangular area can be compared to a threshold, with a normal event being present when the threshold is exceeded. Even a 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 20 (anwaltliches Aktenzeichen: SEP 20, "Verfahren zum Steuern des von einem CPAP-Gerät gelieferten Drucks, CPAP-Gerät sowie Speichermedium", Anmelder: seleon gmbh) respiratorische Ereignisse provozieren, um zu erkennen, dass der Solldruck nicht weiter abgesenkt werden kann. Durch die oben beschriebenen Merkmale kann vielmehr noch im Bereich der Normalatmung erkannt werden, unterhalb welchen Drucks eine Atemflusslimitation droht. Der Patient wird dann in seinem Schlaf weniger durch provozierte repiratorische Ereignisse gestört.An advantage of such features is that they can assess the quality of normal breathing. A pressure control for optimum setting of the target pressure in a CPAP device then no longer needs, as in the SEP 20 (law file number: SEP 20, "Method for controlling the pressure supplied by a CPAP device, CPAP device and storage medium", applicant : seleon gmbh) provoke respiratory events to recognize that the target pressure can not be further lowered. By virtue of the features described above, it is still possible to detect in the area of normal respiration below which pressure a respiratory flow limitation is imminent. The patient is then less disturbed in his sleep by provoked repiratory events.
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. 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.In another embodiment, a third degree polynomial (see Equation 4) may be adjusted to the time derivative or the estimated time derivative of the respiratory flow. The time derivative of the respiratory flow is estimated anyway to determine the transitions between inspiration and expiration so that data on the discharge of the respiratory flow is available. Matching a third degree polynomial is less computationally expensive than fitting a fourth degree polynomial. The fitting of the polynomial to the derivative can be done according to the criteria mentioned in equations 2 and 3 or other criteria. Since fitting polynomials to traces is not a linear operation, interchanging the order of polynomial fitting and derivation will produce slightly different coefficients for the third order polynomials, even assuming identical measurement data. Thus, the zeros will be slightly different. However, this can be compensated by shifting the thresholds in the corresponding normal detectors. Although the third-order polynomials contain less therapy-relevant information. In particular, these polynomials contain no information about the mean inspiratory volume. However, if this is not the case, the coefficients of the third order polynomials can also be recorded and later evaluated by a physician for therapy control.
Ein Beatmungsgerät kann zur Durchführung des Datenreduktionsverfahrens einen digitalen Signalprozessor (DSP) und/oder einen Mikrocontroller 5 enthalten. Zum Speichern der Daten kann eine externe Speichereinrichtung 7 z. B. in Form einer PCMCIA-Karte, einer Smartcart, eines Speichdongels oder eines Memorysticks vorgesehen sein, für die das CPAP-Gerät einen Steckplatz 6 aufweisen kann.A ventilator may include a digital signal processor (DSP) and / or a microcontroller 5 to perform the data reduction procedure. For storing the data, an external memory device 7 z. B. in the form of a PCMCIA card, a smart card, a storage dongel or a memory stick may be provided, for which the CPAP device may have a slot 6.
In einer anderen Ausführungsform kann das Beatmungsgerät mit einem Modem 12 (modulator demodulator) ausgerüstet sein, über das das CPAP-Gerät die Daten beispielsweise über ein öffentliches Telefonnetz (PSTN, public switched telephone network) zu einem Computer eines Arztes übertragen kann. Ferner können bei Beatmungsgeräten auch Notrufe über das Modem 12 abgegeben werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Flussdaten zunächst im Beatmungsgerät zwischenzuspeichern, um nicht eine laufende Verbindung über das öffentliche Telefonnetz aufrecht erhalten zu müssen. Eine Datenreduktion vermindert die Verbindungsdauer und damit die Telefonkosten.In another embodiment, the ventilator may be equipped with a modem 12 (modulator demodulator) through which the CPAP device may transmit the data to, for example, a public switched telephone network (PSTN) to a physician's computer. Furthermore, emergency calls can also be issued via the modem 12 in ventilators. It is particularly advantageous to temporarily store the flow data in the respirator so as not to have to maintain an ongoing connection via the public telephone network. A data reduction reduces the connection duration and thus the telephone costs.
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 explained in detail above with reference to preferred embodiments. However, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the scope of protection is defined by the following claims and their equivalents.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 CPAP - Gerät 17 Heizdraht1 CPAP - device 17 heating wire
2 Loch 15 18 Beatmungsmaske2 hole 15 18 respiratory mask
4 Kompressor 19 Schlafender 5 Mikrocontroller 40 Flußdiagramm4 Compressor 19 Sleeping 5 Microcontroller 40 Flowchart
6 Steckplatz 41 - - 48 Schritte6 slot 41 - - 48 steps
7 Speichermedium 50 Flußdiagramm7 Storage Medium 50 Flowchart
8 Turbine 20 51 - 58 Schritte8 turbine 20 51 - 58 steps
9 Beatmungsschlauch 81 gemessene Atemflusskurve 10 Datenleitung 82 angepasste Atemflusskurve9 Ventilation tube 81 Measured respiratory flow curve 10 Data line 82 Adapted respiratory flow curve
11 Drucksensor 83 gemessene Atemflusskurve11 Pressure sensor 83 measured respiratory flow curve
12 Modem 84 angepasste Atemflusskurve12 modem 84 adapted respiratory flow curve
16 Flusssensor 25 16 flow sensor 25

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren für ein Beatmungsgerät mit:1. Method for a ventilator with:
wiederholtem Messen (16, 17, 42) eines Atemluftflusses während des Betriebs des Beatmungsgeräts (1) zu mehreren Zeitpunkten; undrepeatedly measuring (16, 17, 42) a breathing air flow during operation of the ventilator (1) at multiple times; and
Abspeichern der Messpunkte des Atemflusses;Storing the measuring points of the respiratory flow;
gekennzeichnet durch:marked by:
Anpassen eines ersten Polynoms (44) an den zeitlichen Verlauf der Messpunkte.Fitting a first polynomial (44) to the time course of the measurement points.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Polynom um ein Polynom vierten Grades handelt.2. The method according to claim 1, characterized in that the first polynomial is a polynomial of the fourth degree.
3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte des Atemflusses in einzelne Inspirations- und Expirationsphasen unterteilt werden und das erste Polynom an die zu einer Inspirationsphase gehörenden Punkte angepasst wird.3. The method according to any one of the above claims, characterized in that the measuring points of the respiratory flow are divided into individual inspiratory and Expirationsphasen and the first polynomial is adapted to the belonging to an inspiration phase points.
4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beatmungsgerät die Polynomkoeffizienten des ersten Polynoms über eine Schnittstelle (6) an die externe Speichereinheit (7) überträgt.4. The method according to any one of the above claims, characterized in that the ventilator transmits the polynomial coefficients of the first polynomial via an interface (6) to the external memory unit (7).
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beatmungsgerät die Polynomkoeffizienten des ersten Polynoms über ein Modem (12) und ein öffentliches Telefonnetz (PSTN) zu einem weiteren Computer überträgt.5. The method according to any one of the above claims, characterized in that the ventilator transmits the polynomial coefficients of the first polynomial via a modem (12) and a public telephone network (PSTN) to another computer.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder den Ansprüchen 3 und 5, soweit sie sich auf Anspruch 2 rückbeziehen, mit:6. The method according to claim 2 or claims 3 and 5, as far as they relate to claim 2, with:
Berechnen (46) der Ableitung des ersten Polynoms, wobei ein zweites Polynom dritten Grades entsteht.Calculating (46) the derivative of the first polynomial to produce a second polynomial of third degree.
7. Verfahren für ein Beatmungsgerät mit: wiederholtem Messen (16, 17, 42) des Atemflusses während des Betriebs des Beatmungsgeräts (1) zu mehreren Zeitpunkten; und7. Method for a ventilator with: repeatedly measuring (16, 17, 42) the respiratory flow during operation of the ventilator (1) at multiple times; and
Abspeichern der Messpunkte des Atemflusses;Storing the measuring points of the respiratory flow;
gekennzeichnet durchmarked by
Schätzen (53) der Ableitung des Atemflusses nach der Zeit;Estimating (53) the derivative of the respiratory flow with time;
Anpassen (54) eines zweiten Polynoms dritten Grades an die Ableitung.Fitting (54) a second third order polynomial to the derivative.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, ferner mit:8. The method of claim 6 or 7, further comprising:
Bestimmen der drei Nullstellen (46, 56) des zweiten Polynoms;Determining the three zeros (46, 56) of the second polynomial;
Auswerten (47, 57) des Imaginärteils der zwei konjugierten komplexen Nullstellen, falls das zweite Polynom nur eine reelle Nullstelle hat.Evaluating (47, 57) the imaginary part of the two conjugate complex zeroes if the second polynomial has only one real root.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ferner die Fläche (47, 57) des von den drei Nullstellen in der komplexen Ebene aufgespannten Dreiecks wird.The method of claim 8, further comprising the area (47, 57) of the triangle subtended by the three zeros in the complex plane.
10. Beatmungsgerät, insbesondere CPAP-Gerät mit einem Flusssensor (16), einem Befehlsspeicher und einer zentralen Verarbeitungseinheit (5), die in dem Befehlsspeicher abgelegte Befehle abarbeitet, so dass das Beatmungsgerät ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt.A respirator, in particular a CPAP device with a flow sensor (16), a command memory and a central processing unit (5), which executes instructions stored in the command memory such that the ventilator performs a method according to any one of claims 1 to 9.
11. Speichermedium zur Verwendung mit einem Beatmungsgerät, insbesondere CPAP-Gerät, das einen Flusssensor (16) und eine zentrale Verarbeitungseinheit (5) zur Abarbeitung der in dem Speichermedium gespeicherten Befehle umfasst, wobei das Beatmungsgerät bei der Abarbeitung der im Speichermedium gespeicherten Befehle ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 durchführt. 11. A storage medium for use with a respirator, in particular a CPAP device, which comprises a flow sensor (16) and a central processing unit (5) for processing the instructions stored in the storage medium, wherein the respirator during processing of the instructions stored in the storage medium, a method according to claims 1 to 9 performs.
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