Flowregelung für die Heimbeatmung unter Berücksichtigung der ...

Flowregelung für die Heimbeatmung unter
Berücksichtigung der Spontanatmung
Flow Feedback Control in Home Care Ventilation Considering
Spontaneous Breathing
F. Dietz, A. Schloßer, D. Abel, Aachen
Kurzfassung
Der folgende Beitrag stellt ein Verfahren zur volumenkontrollierten nicht-invasiven Beatmung
unter Berücksichtigung von Leckagen und Spontanatmung vor. Die dazu implementierte
Identifikation und Flowregelung wurde mit Hilfe eines nichtlinearen Simulationsmodells eines
Einschlauch-Beatmungsgerätes mit gerätenahen Sensoren erprobt. Messwerte klinischer
Untersuchungen wurden zur Überprüfung des Einflusses der Spontanatmung herangezogen.
Die vorgeschlagene Methode erlaubt erstmals eine Kompensation der Leckageverluste und
zugleich eine Klassifikation der Atemanstrengung der beatmeten Patienten. Dies ist selbst
bei einfachsten und kostengünstigen Gerätekonstruktionen, wie sie im Bereich der
Heimbeatmung üblich sind, möglich, weil lediglich Daten der Inspirationsphase benötigt
werden. In der Folge sind anspruchvolle Überwachung, therapiegerechte Adaption des
Beatmungsniveaus an den Patienten und bessere Akzeptanz durch den Patienten möglich,
da das Verfahren ohne Unterbrechung der normalen Beatmung durchgeführt wird.
Abstract
This contribution introduces a procedure for the volume-controlled non-invasive mechanical
ventilation under consideration of leakages and spontaneous breathing. The identification
and flow feedback control implemented were tested with the help of a nonlinear simulation
model of a single-hose home-care ventilator with sensors inside the device. Measured
values of clinical tests were used to examine the influence of spontaneous breathing on the
identification. For the first time the suggested method permits a compensation of the leakage
and at the same time a classification of the breathing effort of the mechanically ventilated
patients. Since only data of the inspiration interval is needed, the suggested procedure
applies even to simple and economical ventilators common in home care. As a consequence
sophisticated monitoring, adaptation of the mechanical ventilation level according to the
patient’s needs and better acceptance by the patient are possible, since the procedure is
accomplished without interrupting the routine mechanical ventilation.

1. Nicht-invasive Beatmung mit Leckage unter Spontanatmung
In der Heimbeatmung wird seit vielen Jahren die nicht-invasive Überdruckbeatmung (NIV)
per Nasen- oder Gesichtsmaske erfolgreich eingesetzt. Auch in der Intensivmedizin findet
die NIV immer stärkeren Einsatz, um z.B. der hohen Erkrankungsrate an Lungenentzündung
(Pneumonie) aufgrund des invasiven Einsatzes eines Beatmungstubus innerhalb der
Luftröhre vorzubeugen [1].
Bei der NIV wird während der Inspiration für gewöhnlich ein Beatmungsdruck geregelt, d.h.
es wird kein definiertes Atemzugvolumen (AZV) festgelegt. Eine volumenkontrollierte
Beatmung mit einstellbarem AZV hat hingegen in einigen Studien bessere Ergebnisse erzielt
als die druckkontrollierte NIV, die Vorteile sind aber noch nicht erwiesen [2]. Die
volumenkontrollierte NIV ist bisher jedoch kaum anwendbar, da prinzipbedingte Probleme
deren zuverlässigen Einsatz verhindern. Verluste an Atemvolumen von über 50% durch
Leckagen zwischen Beatmungsmaske und Gesicht des Patienten führen zu einem
unkalkulierbarem Atemzugvolumen [3]. Bild 1 zeigt schematisch ein Heimbeatmungsgerät
mit einfachem Schlauch und Nasenmaske als Beatmungszugang. Zwischen Maske und
Patientengesicht können auch bei sorgfältig ausgewählten Masken zeitvariante Leckagen
(Q Leckage ) in relevanter Höhe auftreten. Bei schlafenden Patienten kann bei Verwendung von
Nasenmasken auch eine Leckage durch einen geöffneten Mund entstehen.
Bild 1: Prinzipskizze eines Heimbeatmungsgerätes und einer Patientenlunge

Eine Identifikation der Lungenparameter und der Leckage ist im Falle völlig passiver
Patienten (keine Spontanatmung) auch für nichtlineare Zusammenhänge möglich [4,5,6].
Eine Kompensation des Volumenverlustes kann mit Hilfe der identifizierten Parameter
erfolgen. Dies ist auch bei sehr einfachen Beatmungsgeräten möglich. Dabei kann aufgrund
der gerätenahen Anordnung der Sensoren für Druck (p FS ) und Flow (Q FS ) und aufgrund des
Wirkprinzips des Exspirationsventils lediglich während der Inspiration (Q Inps ) eine
Identifikation von Patienten- und Leckageparametern erfolgen. Während der Exspiration
atmet der Patient direkt zur Umgebung ab (Q Exsp ), ein Rückschlagventil schottet das
Beatmungsgerät gegenüber dem Patienten ab. Die Sensorik ist dann während der
Exspiration sozusagen „blind“.
In der Praxis muss die Atemanstrengung des Patienten berücksichtigt werden, da die
Patienten für gewöhnlich bei Bewusstsein sind und spontan mit- oder gegenatmen. Als Maß
für die Atemanstrengung gilt der transpulmonale Druck, welcher der Druckdifferenz zwischen
Alveolarraum und Pleuraspalt entspricht (p tp = p alv – p pl , vgl. Bild 2). Der natürliche Antrieb
der Ventilation erfolgt hauptsächlich durch das Zwerchfell.
Bild 2: Atemwege des Menschen mit dem Druck der oberen Atemwege p AW , dem alveolären
Druck p alv und dem intrapleuralen Druck p pl sowie den Differenzdrücken p tp und p di
Da der alveoläre und der intrapleurale Druck nicht mit vertretbarem Aufwand messbar sind,
verwendet die Medizin als Ersatzgröße zu p tp den transdiaphragmalen Druck p di . Er stellt die
Differenz zwischen gastralem Druck p ga im Magen und dem ösophagealen Druck p es in der
Speiseröhre dar (p di = p ga – p es ) [7]. Die Messung von p ga und p es ist mit einer doppelten

Drucksonde routinemäßig möglich. Allerdings handelt es sich hierbei um einen invasiven
Eingriff, der die Nahrungsaufnahme behindert und für die Heimbeatmung nicht zur
Verfügung steht. Ein Verfahren zur Berücksichtigung der Spontanatmung soll also ohne
direkte Messung physiologischer Größen auskommen. Zur Verifikation implementierter
Verfahren und zur Gewinnung von Testdaten ist die Messung von p di jedoch sinnvoll.
2. Identifikation der Spontanatmung
Ein elektrisches Ersatzschaltbild der Atemwege (Bild 3) zeigt, dass die aktive Atemtätigkeit
p aktiv eines Patienten einen Beitrag zum Lungendruck p Lunge und damit zum Flow in die Lunge
(Q Lunge ) liefert. Eine Leckageidentifikation muss also auch p aktiv berücksichtigen, wenn es
gelingen soll, den Leckageflow (Q Leckage ) hinreichend zu kompensieren. Zusätzlich erlaubt die
Kenntnis über die aktive Atemarbeit eine Beurteilung der Beatmungsqualität. So lässt sich
z.B. aus einem synchronen Mitatmen des Patienten auf eine gute Akzeptanz der Beatmung
durch den Patienten schließen.
Bild 3: Elektrisches Ersatzschaltbild von Lunge (R, C), Leckage (R Leckage ) und Spontanatmung
(p aktiv )
Mit den bisherigen Verfahren zur parametrischen Identifikation führt der Einfluss der
Spontanatmung zu falschen Schätzwerten für die Lungenparameter Resistance
(pneumatischer Widerstand R) und Compliance (Lungendehnbarkeit C) und den
Leckagewiderstand R Leckage . Wenn der Patient synchron zum Beatmungsgerät mitatmet, wird
die Compliance um bis zu zwei Größenordnungen überschätzt. Die Atem- und
Leckagewiderstände hingegen werden unterschätzt bzw. erhalten negative Werte. Atmet der
Patient gegen das Gerät, so werden C und R Leckage i.d.R. unterschätzt, während R recht gut
geschätzt wird.

In Anlehnung an die lineare und nichtlineare Identifikation der Lungenparameter R, C und
des Leckagewiderstands R Leckage wird ein Ansatz zur Berücksichtigung der Spontanatmung
p aktiv gesucht. Da es sich bei p aktiv um einen zunächst willkürlichen, zeitvarianten
dynamischen Beitrag des Patienten handelt, kann eine Berechnung beispielsweise in Form
eines konstanten Parameters nicht zielführend sein.
Ein Ansatz zur Bestimmung von Lungenparametern unter Spontanatmung (ohne
Berücksichtigung von Leckagen) macht sich bei der druckkontrollierten Beatmung
wechselnde Druckniveaus zwischen zwei Atemzügen zunutze [8]. Unter der Annahme, dass
sich die Atemarbeit des Patienten zwischen den Atemzügen nur unwesentlich ändert, kann
der Anteil der Atemarbeit durch Differenzbildung eliminiert werden. Dieser Ansatz wurde für
die volumenkontrollierte Beatmung abgewandelt und für eine Identifikation der Leckagen
erweitert. Es ergibt sich für den Maskendruck p Maske und den inspiratorischen Flow Q insp bzw.
für die Druckdifferenz Dp Maske der folgende Zusammenhang im Bildbereich:
1+
sRC sRLeckageC
pMaske() s = paktiv () s + Qinsp
() s ⋅
sC 1 + s( R+
R ) C
(1 + sRC)
RLeckage
∆ pMaske
() s =∆Qinsp
() s 1 + sR ( + R ) C
mit
∆ p () s = p () s − p (), s
Maske Maske, k Maske, k −1
∆ Q () s = Q () s −Q (), s
p
insp insp, k insp, k −1
aktiv,
k
() s = p () s
aktiv, k−1
k ! Nummer des Atemzugs
Leckage
Leckage
Als Flowdifferenzen DQ insp wurden Stufen von 10%, 20% und 30% untersucht und mit
Identifikationsergebnissen ohne Berücksichtigung der Spontanatmung verglichen. Dabei
werden zunächst lediglich lineare Zusammenhänge für die Lungenparameter und die
Leckage berücksichtigt. In Tab. 1 sind Ergebnisse von Identifikationen für Flowdifferenzen
von 30% angegeben.

Tabelle 1: Identifikation ohne und mit Berücksichtigung der Spontanatmung. Angegeben
sind Mittelwerte mehrerer Identifikationen (Standardabweichungen in Klammern).
ohne Berücksichtigung Spontanatm. mit Berücksichtigung Spontanatm.
Referenzwerte Mitatmung Gegenatmung Mitatmung Gegenatmung
R (10 mbar/L/s) 0.64 (9.5) 11.5 (0.6) 9.2 (2.5) 9.1 (2.7)
C (0.08 L/mbar) 2.6 (2.7) 0.02 (0.01) 0.048 (0.11) 0.049 (0.11)
R Leckage (100mbar/L/s) -1.9 (14.1) 36 (0) 43.6 (3.8) 43.1 (4.0)
Varianz der Ident. 9.2e-6 (4e-6) 1.1e-5 (3e-6) 1.9e-5 (7e-6) 1.9e-5 (7e-6)
Man kann an Mittelwerten und Standardabweichungen erkennen, dass insbesondere bei
Mitatmen des Patienten deutlich bessere Ergebnisse bei Berücksichtigung der
Spontanatmung erzielt werden können. Bei Gegenatmung zeigen sich Vorteile bei
Berücksichtigung der Spontanatmung insbesondere bei der Bestimmung von C.
∆ Q insp
/ (L/s*0.05), ∆ p Maske
/ mbar
3.5
3
2.5
2
1.5
Differenz der Messgrößen zwischen zwei Atemzügen
(R = 10 mbar/L/s, C = 0.08 L/mbar, R Leckage
= 100 mbar/L/s, ∆ Q soll
= 30%)
1
∆ Q insp
0.5
∆ p Maske
0
41 41.5 42 42.5 43 43.5 44
Zeit / s
6
Vergleich p aktiv, mess
mit p aktiv, rekonst
p aktiv
/ mbar
5
4
3
2
1
0
p aktiv
1. Atemzug
p aktiv
2. Atemzug
p aktiv
rekonstruiert
-1
41 41.5 42 42.5 43 43.5 44
Zeit / s
Bild 4: Parametrische Identifikation von R, C, R Leckage und p aktiv und Rekonstruktion des
zeitlichen Verlaufs der Spontanatmung mit Hilfe der Druck- und Flowdifferenz
zwischen zwei Atemzügen mit unterschiedlichem Inspirationsflow Q insp .
Ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Spontanatmung (Gegenatmung) kann man in Bild
4 (unten) erkennen. Es sind die Verläufe von p aktiv für zwei aufeinanderfolgende Atemzüge zu

erkennen. In Bild 4 (oben) sind die berechneten Differenzverläufe für Druck p Maske und Flow
Q insp (zwanzigfach vergrößert) zu erkennen. Durch die Identifikation der Differenzverläufe
ergeben sich Parameter, die für eine Rekonstruktion der Spontanatmung genutzt werden.
Unter Verwendung der Daten von Druck und Flow des ersten Atemzuges ergibt sich durch
die Rekonstruktion der in Bild 4 (unten) gezeigte Verlauf für p aktiv, rekonstruiert .
Eine solche Rekonstruktion lässt eine Beurteilung der Spontanatmung zu. Im einfachsten
Fall kann durch Integration der rekonstruierten Werte die Aussage getroffen werden, ob der
Patient mit- oder gegenatmet. Aufwendigere Verfahren zur Klassifikation können daraus eine
dedizierte Beurteilung ableiten.
Als Ergebnis der Untersuchungen lässt sich festhalten, dass eine Identifikation der
Lungenparameter und Leckage bei guter Synchronisation zwischen Patient und
Beatmungsgerät gut funktioniert und eine Klassifikation der Spontanatmung erlaubt. Bei
gleichbleibender Form der Spontanatmung, jedoch schlechter Synchronisation ist zumindest
die Identifikation der Leckage sehr robust. Werden die Identifikationsergebnisse mit und
ohne Berücksichtigung der Spontanatmung einzeln verglichen, so ergibt die Varianz der
Identifikation einen zuverlässigen Hinweis darauf, welche Ergebnisse besser sind.
Daher wird bei der Implementierung in jedem Atemzyklus ein dreistufiger Prozess mit
rekursiven Algorithmen zur Identifikation durchgeführt. Während der Inspirationsphase wird
eine Identifikation ohne Berücksichtigung der Spontanatmung durchgeführt, während der
Exspirationsphase eine Identifikation (mit gespeicherten Daten aus der Inspirationsphase)
unter Berücksichtigung der Spontanatmung. Ist das zweite Ergebnis besser, so wird im
Anschluss eine Rekonstruktion des Spontanatmungsverlaufs aus der vorangegangenen
Inspirationsphase berechnet und eine Klassifikation vorgenommen.
3. Flowregelung
Nach einer Überprüfung der identifizierten Parameter auf Plausibilität erfolgt für den jeweils
folgenden Atemzug mit Hilfe des identifizierten R Leckage eine Führungsgrößenaufschaltung für
Q insp zur Leckagekompensation. Zusätzlich wird eine Führungsgrößenaufschaltung von
±DQ insp /2 vorgenommen, mit Vorzeichenwechsel nach jedem Atemzug. So kann im
Durchschnitt das gewünschte und physiologisch wichtige Atemminutenvolumen
sichergestellt werden. Zur Optimierung einer adaptiven oder modellgestützten prädiktiven
Regelung werden die Lungenparameter R und C verwendet. Während der Flowregelung
werden ständig die gültigen Druckgrenzen überwacht. Bei Erreichen oder Überschreitung
dieser Grenzen wird unmittelbar auf eine Druckregelung an der Druckgrenze umgeschaltet,
um eine Gefährdung des Patienten auszuschließen.

4. Zusammenfassung
Für die nicht-invasive Beatmung (NIV) wurde ein Verfahren vorgestellt, welches eine
Leckageerkennung und –kompensation auch bei Spontanatmung des Patienten ermöglicht.
Damit kann eine zuverlässige volumenkontrollierte Beatmung umgesetzt werden. Das
Verfahren eignet sich auch für günstige Beatmungsgeräte, die eine einfache Sensorik
innerhalb des Gerätes aufweisen und durch Verwendung von Einschlauchsystemen und
Exspirationsventilen lediglich eine Messung während der Inspirationsphase erlauben. Unter
bestimmten Randbedingungen ist zusätzlich zur Leckagekompensation auch eine
Klassifikation der Spontanatmung möglich. Somit bietet das Verfahren große Fortschritte und
neue Möglichkeiten für die NIV hinsichtlich volumenkontrollierter Beatmung und
Patientenüberwachung auch im Bereich der Intensivmedizin.
Literatur
[1] Dittmann, M.: Respiratoren in der klinischen Praxis. Berlin: Springer Verlag, 1993. –
ISBN 3-540-55929-9
[2] Schönhofer, B.; Sortor-Leger, S.: Equipment needs for noninvasive mechanical
ventilation. In: European Respiratory Journal 20 (2002), S. 1029-1036
[3] Lofaso, F.; Fodil, R.; Lorino, H.; Leroux, K.; Quintel, A.; Leroy, A.; Harf, A.: Inaccuracy
of tidal volume delivered by home mechanical ventilators. In: European Respiratory
Journal 15 (2000), S. 338-341
[4] Dietz, F.; Rake, H.: Leckagekompensation und Flowregelung bei der Heimbeatmung.
In: VDI-Berichte 1608 (2001), S. 159-166. – ISBN 3-18-091608-7
[5] Dietz, F.; Schloßer, A.: Heimbeatmung: Herausforderung volumenkontrollierte
Beatmung. In: Simulationstechnik ASIM 2002, S. 215-220. – ISBN 3-936150-19-2
[6] Schüttler, F.: Parameterschätzung atmungsmechanischer Modelle zur Vorhersage
pharyngealer Obstruktionen bei Patienten mit schlafbezogenen Atmungsstörungen.
Marburg: Dissertation, 1998
[7] Haberthür, C.; Guttmann, J.; Osswald, P.M.; Schweitzer, M.: Beatmungskurven -
Kursbuch und Atlas. Berlin: Springer Verlag, 2001. – ISBN 3-540-67830-1
[8] Navajas, D.; Alcaraz, J.; Peslin, R.; Roca, J.; Farré, R.: Evaluation of a method for
assessing respiratory mechanics during noninvasive ventilation. In: European
Respiratory Journal 16 (2000), S. 704-709