Einführung in Beatmungsgeräte
Ein Beatmungsgerät ist ein medizinisches Gerät, das Patienten bei der Atmung unterstützt, die aufgrund verschiedener Erkrankungen wie Atemnotsyndrom, COPD, obstruktiver Schlafapnoe und Asthma nicht in der Lage sind, selbstständig zu atmen. Im Wesentlichen befördert das Beatmungsgerät Luft in die Lunge und aus der Lunge heraus und unterstützt so den Patienten beim Atmen.
Grundsätze der Beatmung
Ein Beatmungsgerät versorgt die Lunge mit Luft oder Sauerstoff, sodass der Patient Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid ausatmen kann. Dies ist besonders wichtig für Menschen mit Atemwegserkrankungen, da es ihnen hilft, den Sauerstoffgehalt im Blut aufrechtzuerhalten.
Komponenten eines Beatmungsgeräts
Das Beatmungsgerät ist eine Kombination aus elektronischen Schaltkreisen und mechanischen Luftkreisläufen. Sein allgemeiner Aufbau besteht aus neun Teilen: Sauerstoffquelle, Magnetventil, Mischluftvorrichtung, Druckbegrenzungsventil, Befeuchter und Temperaturregelkreis, Atemwegswiderstandsmessgerät, Atemventil, Signalbox und Magnetventil-Steuerkreis.
Sauerstoffquelle
Es handelt sich um ein Gerät zur Speicherung von Sauerstoff, das dem Patienten den zum Einatmen benötigten Sauerstoff zuführt. Die Versorgung erfolgt in der Regel über eine Hochdruck-Sauerstoffflasche oder Druckluft.
Magnetventil
Das Magnetventil ist ein Ein-Aus-Ventil für die „Sauerstoffquelle“. Der Unterschied zum mechanischen Regelventil besteht darin, dass es elektrisch gesteuert wird, d. h. durch die Steuerung des Ein- und Ausschaltens des Magnetventilspulenstroms wird das Öffnen und Schließen des Ventils gesteuert, um den Luftstrom zu erzeugen oder zu unterbrechen. Seine Funktionsweise ähnelt in gewisser Weise der von gewöhnlichen Relais.
Gemischte Luft
Die Luftmischvorrichtung nutzt das Prinzip der Verringerung des seitlichen Drucks der Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit und injiziert Sauerstoff aus der Hochgeschwindigkeitsdüse, um einen Unterdruckbereich zu erzeugen. Der Luftdruck auf beiden Seiten ist größer als der Unterdruckbereich, und die Luft wird in den schnell strömenden Sauerstoff einbezogen.
Druckbegrenzungsventil
Das Druckbegrenzungsventil ist eine Gasdruckbegrenzungsvorrichtung, die sicherstellt, dass das Gas mit einem bestimmten Druck ausgegeben wird. Bei Auslieferung ab Werk ist es in der Regel auf einen Wert von 6 kPa (60 cmH2O) eingestellt. Wenn der Ausgangsdruck der Maschine diesen Wert überschreitet, wird das Gas automatisch abgelassen, um die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten.
Befeuchter und Temperaturregelkreis
Es handelt sich um ein Gerät mit konstanter Temperatur, bei dem Wasser und Gas mit konstanter Temperatur ein- und austreten können. Das Gerät kann die Reizung der Lunge des Patienten durch kalte Luft vermeiden, eine Austrocknung der Schleimhaut der Atemwege verhindern und eine ähnliche Funktion wie die menschlichen Atemwege in Bezug auf Befeuchtung, Filterung und Wärme übernehmen. Der Temperaturregelkreis ist ein Kreislauf, der dazu dient, die Wassertemperatur im Luftbefeuchter anzupassen und konstant zu halten.
Luftwegwiderstandstabelle
Dieser Tisch ist ein Gerät, das zur Anzeige des Widerstands der Atemwege des Patienten verwendet wird. Aus dem Atemwegswiderstand und dem Druck der Sauerstoffquelle lassen sich jeweils der Sauerstoffgehalt (ohne den Sauerstoffgehalt in der Luft) und das Atemzugvolumen berechnen.
Atemventil
Es handelt sich um ein Gerät, das mit Hilfe pneumatischer Verfahren zwei Ventile ansteuert, um die organische Kombination von drei Signalen zu realisieren: Ausatmung, IC-Chip-Entschlüsselung und Einatmung sowie Unterdruck. Beim Einatmen wird das Einatemventil geöffnet und das Gerät versorgt den Patienten in einer Richtung mit Luft. Beim Ausatmen wird das Einatemventil geschlossen und das ausgeatmete Gas wird über den Ausatemkanal abgeleitet.
Signalkasten
Die Signalbox besteht aus einem Paar versiegelter elektrischer Kontakte, die von einer empfindlichen elastischen Membran angetrieben werden. Wenn der Unterdruck eine bestimmte Größe erreicht, wird der Kontakt unterbrochen und die Signalbox gibt ein Impulssignal aus. Auf diese Weise wird der Unterdruck beim Einatmen des Patienten in ein elektrisches Signal umgewandelt und in den „Magnetventil-Steuerkreis“ eingespeist, um die Steuerung des Magnetventils zu realisieren.
Magnetventil-Steuerschaltung
Es handelt sich um ein logisches Steuersystem, das aus digitalen Impulsschaltungen besteht und zur Steuerung des Ein- und Ausschaltens des Magnetventils dient. Schließlich werden über den Luftkreislauf die erforderliche Atemfrequenz, die maschinengesteuerte Atmung des Atem-zu-Atem-Zeitverhältnisses, die synchronisierte Atmung und die automatische Umschaltung zwischen aktiver und passiver Atmung realisiert.
Arten von Beatmungsgeräten
Es gibt verschiedene Arten von Beatmungsgeräten, die sich hinsichtlich ihrer Funktionen und Leistungsmerkmale unterscheiden. Zu den am häufigsten verwendeten Beatmungsgeräten gehören:
Überdruckbeatmungsgerät:
Der häufigste Typ von Beatmungsgerät ist das Überdruckbeatmungsgerät, das eine Kombination aus Luftdruck und Luftstrom nutzt, um die Lunge mit Sauerstoff zu versorgen. Dieser Typ von Beatmungsgerät wird häufig auf Intensivstationen eingesetzt, wo sich Patienten in einem sehr kritischen Zustand befinden. Der Luftdruck hilft dabei, die Atemwege offen zu halten, sodass Luft in die Lunge ein- und ausströmen kann. Einige Überdruckbeatmungsgeräte können sowohl für die Kurzzeit- als auch für die Langzeitbeatmung verwendet werden.
Volumenventilator:
Dieser Beatmungsgerätetyp ist dafür ausgelegt, ein bestimmtes Luftvolumen in die Lunge des Patienten zu befördern. Dieser Beatmungsgerätetyp wird in der Regel für die Langzeitbeatmung eingesetzt, beispielsweise bei chronischer Ateminsuffizienz.
Druckgesteuertes Beatmungsgerät:
Dieser Beatmungsgerätetyp dient zur Steuerung des Luftdrucks, der in die Lunge des Patienten geleitet wird. Dieser Beatmungsgerätetyp wird für die Kurzzeitbeatmung verwendet, beispielsweise bei akutem Lungenversagen.
Ventilator mit variabler Durchflussmenge:
Dieser Beatmungsgerätetyp dient dazu, den Luft- oder Sauerstofffluss zu den Lungen des Patienten zu variieren. Dieser Beatmungsgerätetyp wird für die Langzeitbeatmung verwendet, beispielsweise bei chronischer Ateminsuffizienz.
Nicht-invasives Beatmungsgerät:
Dieser Beatmungsgerätetyp ist dafür ausgelegt, dem Patienten Luft oder Sauerstoff zuzuführen, ohne dass eine Intubation oder Tracheotomie erforderlich ist.
Ventilator-Design
Beatmungsgeräte gibt es in verschiedenen Ausführungen, aber im Allgemeinen haben alle einige gemeinsame Merkmale. Ein Beatmungsgerät besteht aus einem Luftstromsystem, einer Maske, einem Steuerungssystem und einem Monitor. Das Luftstromsystem ist für die Zufuhr von Luft oder Sauerstoff zum Patienten verantwortlich. Die Maske ist der Teil des Beatmungsgeräts, der über das Gesicht des Patienten gelegt wird, damit die Luft in die Lunge gelangen kann. Das Steuerungssystem reguliert den Luftstrom und kontrolliert den Druck, während der Monitor die Atemfrequenz und den Sauerstoffgehalt des Patienten überwacht.
Hier ist ein Designbeispiel aus dem Beatmungssystem PB560 von Medtronic.
Blockdiagramm
Schematisch
CAD-Struktur
Eines der wichtigsten Elemente bei der Konstruktion eines Beatmungsgeräts ist die Sicherheit. Das Gerät muss unter Berücksichtigung der Sicherheit konstruiert sein, damit der Patient keinen hohen Luftdruck- oder Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt wird, die potenziell gefährlich sein könnten. Darüber hinaus muss das Gerät so konstruiert sein, dass es einfach zu bedienen und zu warten ist, um das Risiko einer versehentlichen Fehlbedienung zu minimieren.
In den letzten Jahren wurden viele Fortschritte bei der Konstruktion von Beatmungsgeräten erzielt. Viele moderne Beatmungsgeräte sind tragbar und können daher in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden. Darüber hinaus verfügen viele Beatmungsgeräte heute über Funktionen wie automatische Drucküberwachung, variable Druckeinstellungen und Alarme, die den Benutzer warnen, wenn der Sauerstoffgehalt zu niedrig wird.
Fazit
Dieser Beitrag stellt das Prinzip, die Teile und den Aufbau eines Beatmungsgeräts vor. Es handelt sich um eine wichtige Methode zur Vorbeugung und Behandlung von Atemversagen oder anderen unterstützenden Behandlungen. Wenn Sie ein Beatmungsgerät entwerfen oder rückentwickeln möchten, können Sie sich gerne an uns wenden, um Unterstützung zu erhalten.
