DE19818170C2 - Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter eines Inkubators - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter eines Inkubators

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter eines Inkubators gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, 2 oder 3.
Derartige Verfahren werden angewandt, um in Wärmetherapiegeräten, insbesondere in Inkubatoren für Früh- oder Neugeborene, die Patienten bezüglich ihres Wärme- und gegebenenfalls auch ihres Feuchtezustandes zu konditionieren. Dazu werden Körpertemperaturen gemessen und in Abhängigkeit vom Ergebnis entsprechende Konditioniereinrichtungen betätigt, insbesondere Heizeinrichtungen.
Ein gattungsgemäßes Verfahren wird in der DE 39 30 363 C2 beschrieben, wobei für die Steuerung der den Wärmehaushalt eines in einen Inkubator eingebrachten Patienten bestimmenden Betriebsparameter zur Ermittlung der Zustands-Istwerte mit dem Körper bzw. mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung stehende Sensoren vorgesehen sind, deren Ausgangswerte einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt und von dieser zu Stellgrößen zur Beeinflussung der Betriebsparameter verarbeitet werden. Weiter ist es aus dem gattungsgemäßen Verfahren bekannt, für verschiedene körperbezogene Temperaturzonen wenigstens zwei von vier Temperatursensoren vorzusehen, deren Ausgangswerte der Datenverarbeitungsanlage zugeführt werden und dort mit Vorgabewerten verglichen werden, so daß bei Abweichungen eine Heizvorrichtung im Inkubator betätigt wird, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
Aus der US 4,034,740 ist ein Inkubator bekanntgeworden, der mit einem Sensor zur Messung der Hauttemperatur und mit verschiedenen Sensoren zur Messung der Umgebungstemperatur ausgestattet ist. Für die Verarbeitung der Meßsignale ist eine Auswerte- und Steuereinheit und damit verbunden eine Regeleinrichtung vorgesehen.
Im Unterschied zu diesem bekannten Stand der Technik wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Verknüpfung einer ersten oder zweiten, jeweils in einem bestimmten Hautbereich gemessenen Hauttemperatur mit der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur je eine für einen Körperbereich des Patienten charakteristische Temperatur bestimmt. In Abhängigkeit von diesen ermittelten charakteristischen Temperaturen wird die Lufttemperatur im Inkubator eingestellt.
Bisher werden in der Praxis Wärmetherapiegeräte, insbesondere Inkubatoren eingesetzt, die nur eine gemessene Hauttemperatur mit einem Sollwert vergleichen und das Ergebnis direkt als Regelgröße verwenden.
Aus klinischen Untersuchungen ist bekannt, daß zur Beurteilung des Zustandes und des Wärmehaushalts eines Patienten zwei wahre Körpertemperaturen wichtig sind: Die Kerntemperatur und die Peripherietemperatur.
So läßt sich beispielsweise bei sehr unreifen Früh- oder Neugeborenen eine Unterkühlung schon daran erkennen, daß die Peripherie bereits stark abgekühlt ist, während der Körperkern noch im normalen Bereich ist. Der Körper versucht, die Kerntemperatur zu halten, indem er den Blutfluß zur Peripherie drosselt und damit dort die Wärmeverluste an die Umgebung reduziert.
Ebenso läßt sich ein ansteigendes Fieber daran erkennen, daß die Peripherietemperatur sinkt bei steigender Kerntemperatur des Körpers. Der Körper hat in letzterem Falle den Blutfluß auf den Kern zentralisiert, um ihn auf eine höhere Temperatur aufzuwärmen und drosselt den Blutfluß zur Peripherie, um Wärme einzusparen und sie für die Aufwärmung der zentralen Organe zu verwenden.
Ein abklingendes Fieber wird an einer hohen Kerntemperatur des Körpers bei gleichzeitig hoher Peripherietemperatur erkannt. Der Körper verwendet die großen Körperflächen der Peripherie, um den Körperkern durch entsprechende Wärmeabgabe abzukühlen.
Ein Nachteil aller bisher bekannten Verfahren zur Steuerung von Inkubatoren folgt daraus, daß die am Patienten gemessenen Temperaturen an der Hautoberfläche gemessen werden und somit durch äußere Einflüsse wie insbesondere Luftströmungen verfälscht werden, so daß dementsprechend auch mittels fehlerhaft ermittelter Stellgrößen die Betriebsbedingungen des Inkubators nur ungenau eingestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß in Abhängigkeit von der mittels mindestens einer in einem definierten Hautbereich gemessenen Hauttemperatur und der ebenfalls gemessenen Lufttemperatur im Inkubator die wahre Kerntemperatur oder die wahre Peripherietemperatur ermittelt und nachfolgend die Lufttemperatur im Inkubator eingestellt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1 in Bezug auf die ermittelte Kerntemperatur, mit den Merkmalen von Anspruch 2 in Bezug auf die ermittelte Peripherietemperatur und mit den Merkmalen von Anspruch 3 in Bezug auf die Differenz aus ermittelter Kerntemperatur und ermittelter Peripherietemperatur.
Die abhängigen Verfahrensansprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 an.
Überraschend wurde durch Modellberechnungen und Modellversuche bestätigt, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der am Patienten in einem bestimmten Hautbereich gemessenen Hauttemperatur, der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur und der Kern- bzw. Peripherietemperatur des Patienten besteht.
Hieraus folgt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß nämlich trotz Beibehaltung der problemlosen Hauttemperaturmessung mit üblichen Temperatursensoren die exakte Kern- bzw. Peripherietemperatur des Patienten hieraus einfach ermittelt und nach Vergleich mit Sollwerten die Lufttemperatur im Inkubator über geeignete Stellglieder nachgestellt werden kann. Invasive Temperaturmessungen werden dabei vermieden. Die Temperaturmessung und die darauf aufbauende Temperaturregelung für Patienten in Inkubatoren wird mittels mindestens zweier nichtinvasiver Temperatursensoren durchgeführt. Der eine Temperatursensor wird am Kopf, vorzugsweise an der Stirn des Patienten, plaziert und gibt eine für das Gehirn und damit für den Körperkern repräsentative Temperatur an, die durch lineare Verknüpfung mit der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur korrigiert werden muß, um die wahre Kerntemperatur zu ermitteln.
Alternativ kann gemäß Anspruch 2 die Temperaturregelung so erfolgen, daß die Hauttemperatur an der Peripherie des Körpers, insbesondere am Fuß bzw. an der Fußsohle mittels eines Temperatursensors gemessen wird. Die wahre Peripherietemperatur wird ebenfalls durch eine lineare Verknüpfung mit der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur rechnerisch ermittelt, entsprechend der Gleichung in Anspruch 2.
Gemäß Anspruch 3 erfolgt die Temperaturregelung aufgrund der Differenz aus ermittelter Kerntemperatur und ermittelter Peripherietemperatur.
In beiden Fällen der Hauttemperaturmessung kann durch einen logischen Plausibilitätsvergleich festgestellt werden, ob der jeweilige Temperatursensor an die Umgebungstemperatur angebunden, also abgelöst oder in Wärmeleitungsverbindung mit der Haut steht. Anhand der Ergebnisse kann entschieden werden, ob die Kompensation des Umgebungseinflusses wirksam werden soll oder nicht.
Die Konstanten c1', c2' in den Gleichungen in Anspruch 1, 2 und 3 werden jeweils für einen Meßpunkt bestimmt durch den angenommenen konvektiven Wärmeübergang aufgrund der angenommenen Luftströmung von 8 cm/sec im Inkubator, durch die Wärmeleitung und die geometrischen Gegebenheiten der die Wärmeleitung bestimmenden Körperteile. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mithilfe der einzigen, schematischen Figur erläutert.
Die Hauttemperaturen th1 und/oder th2 eines Früh- oder Neugeborenen in einem nicht dargestellten Inkubator werden gemessen. Der die Hauttemperatur th1 messende Temperatursensor ist vorzugsweise an der Stirn, der die Hauttemperatur th2 messende Temperatursensor ist vorzugsweise am Fuß angebracht, um so die Peripherietemperatur, überlagert von zu kompensierenden Störungen, zu messen, während an der Stirn die ebenfalls von zu kompensierenden Störungen überlagerte Kerntemperatur erfaßt wird.
Zusätzlich wird mit einem weiteren Temperatursensor die Lufttemperatur (ti) im Inkubator gemessen.
In den Meßbrücken mit integrierten Analog-/Digitalwandlem 1, 2, 3 werden die drei Temperatursensorsignale in digitale Werte transformiert.
In einem Teil 4 einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit werden mittels der angegebenen ausführlichen Gleichungen für tc und tp die wahre Kerntemperatur und/oder die wahre Peripherietemperatur ermittelt. Die Konstanten k2 und kx werden wie folgt aus den angegebenen Größen jeweils empirisch bestimmt und ergeben durch Zusammenfassung die in den Ansprüchen angegebenen Konstanten c1', c2' mit c1', c2' = kx/k2:
alpha = konvektiver Wärmeübergang bei 8 cm/sec (Wärmeübergangskoeffizient)
lambda i = Wärmeleitung durch die Isolation der Temperatursensoren
lambda h = Wärmeleitung der Haut
lambda k = Wärmeleitung des Knochens
lambda b = Wärmeleitung des Blutes
si Wanddicke der Isolation der Temperatursensoren
sh = Wanddicke der Haut
sk = Wanddicke des Knochens
sb = Abstand des gut durchbluteten Organs zum Knochen
Damit ergeben sich folgende Wärmeleitungswerte für
kx = 1/(1/alpha + si/lambda i)
k2 = 1/(sh/lambda h + sk/lambda k + sb/lambda b).
In einem Vergleicher 5, der ebenfalls Teil der zentralen Auswerte- und Steuereinheit ist, wird die Plausibilität der gemessenen und berechneten Werte festgestellt.
Wenn beispielsweise der Temperatursensor für die Hauttemperatur th2 durch eine isolierende Decke von der Umgebungsluft abgekoppelt ist, würde der Temperatursensor eine sehr kernnahe Temperatur messen. Die Kompensation entsprechend der zweiten Gleichung in der Figur würde dann eine "wahre" Peripherietemperatur ergeben, die höher als die Kerntemperatur ist. In diesem Fall würde der Vergleicher 5 die Peripherietemperatur tp gleich der gemessenen Hauttemperatur th2 setzen, wie unter 6 angegeben.
Liegt andererseits die berechnete "wahre" Kerntemperatur tc unterhalb der gemessenen Hauttemperatur th1, wird tc mit der gemessenen Hauttemperatur th1 gleichgesetzt, wie unter 6 angegeben. Die Ergebnisse für tp und/oder tc werden in der Anzeigeeinheit 7 dargestellt oder direkt nach Vergleich mit vorgegebenen Sollwerten zur Steuerung einer Heizeinrichtung mit Lüfter und bevorzugt ergänzend auch zur Steuerung eines Luftbefeuchters im Inkubator verwendet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der den Wärmehaushalt eines Patienten bestimmenden Betriebsparameter eines Inkubators mittels der Meßwerte der am Patienten gemessenen Hauttemperatur (th1) und der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur (ti), dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der aus der Beziehung
tc = th1 + c1' . (th1 - ti)
mit der Konstanten c1' ermittelten Kerntemperatur (tc) die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th1) in einem für den Körperkern repräsentativen Hautbereich gemessen wird, und wobei in die Konstante c1' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
2. Verfahren zur Steuerung der den Wärmehaushalt eines Patienten bestimmenden Betriebsparameter eines Inkubators mittels der Meßwerte der am Patienten gemessenen Hauttemperatur (th2) und der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur (ti), dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der aus der Beziehung
tp = th2 + c2' . (th2 - ti)
mit der Konstanten c2' ermittelten Peripherietemperatur (tp) die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th2) in einem Hautbereich an der Peripherie des Körpers gemessen wird und wobei in die Konstante c2' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
3. Verfahren zur Steuerung der den Wärmehaushalt eines Patienten bestimmenden Betriebsparameter eines Inkubators mittels der Meßwerte der am Patienten gemessenen Hauttemperaturen (th1) und (th2), dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Differenz aus Kerntemperatur (tc) und Peripherietemperatur (tp) mit
tc = th1 + c1' . (th1 - ti) und
tp = th2 + c2' . (th2 - ti)
und mit den Konstanten c1,2' die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th1) in einem für den Körperkern repräsentativen Hautbereich und die Hauttemperatur (th2) in einem Hautbereich an der Peripherie des Körpers gemessen wird und wobei in die Konstanten c1', c2' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftfeuchte im Inkubator in Abhängigkeit von der Lufttemperatur (ti) im Inkubator, der Kerntemperatur (tc) und/oder der Peripherietemperatur (tp) mittels eines Luftbefeuchters eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauttemperatur (th1) an der Stirn gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauttemperatur (th2) an den Extremitäten, insbesondere am Fuß gemessen wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufttemperatur (ti) im Inkubator mittels einer Heizeinrichtung mit Lüfter eingestellt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Temperaturen (th1, th2, ti) in einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit verarbeitet und anschließend die ermittelten Steuersignale an die die Betriebsparameter des Inkubators bestimmenden Stellglieder ausgegeben werden, insbesondere an die Heizeinrichtung mit Lüfter und/oder an den Luftbefeuchter.
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