Modulare Hardware erkennt menschlichen Atmungsreflex und unterstützt die Lungen

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MAQUET Critical Care AB

dSPACE GmbH

Elektrodenmatrix erfasst Aktivität des Zwerchfells

Um die künstliche Beatmung zu verbessern und für den Patienten angenehmer zu machen, wurde bei Maquet ein neuer Ansatz entwickelt, um den menschlichen Atmungsreflex zu erkennen. Anstatt den Atemwegsdruck zu messen, kommt eine Elektrodenmatrix zum Einsatz, um die elektrische Aktivität des Zwerchfells zu erfassen (Bild 1). Das elektrische Rohsignal, das auf einer einzelnen Elektrode gemessen wird, heißt EMG (Electromyography).

Das EMG verarbeitet die Signale, um das so genannte Edi-Signal zu erhalten, das nur das zwerchfellbezogene Signal enthält. Das Edi-Signal wird an die Ventilation übertragen und dafür verwendet, die Atmung des Patienten zu unterstützen. Auf diese Art kann die Maschine schneller auf die Bedürfnisse des Patienten reagieren. Da die Ventilation und das Zwerchfell mit demselben Signal arbeiten, ist deren mechanisches Ineinandergreifen quasi gleichzeitig. Das Aktivierungssignal des Zwerchfells ist das frühestmöglich erkennbare Signal, das mit heutiger Technologie möglich ist (Bild 2).

Die Schlüsseltechnologie von NAVA (Neurally Adjusted Ventilatory Assist) ist die Signalverarbeitung auf dem EMG. Um den EMG-Algorithmus und seine Interaktion mit der SERVO-i-Ventilation zu testen, wird folgender Laboraufbau verwendet (Bild 3):

• Ein Katheter, der die gemessenen EMG-Signale bereitstellt, oder einen Simulator, der die EMG-Signale als Atmungsimpulse simuliert
• Ein dSPACE DS1005 PPC Board für die Verarbeitung der EMG-Signale
• Die SERVO-i-Ventilation zur Regelung der künstlichen Beatmung

Um das System zu simulieren, sind vier verschiedene Eingaben möglich:

• Reale Eingabe durch einen Patienten oder eines Freiwilligen: Dazu wird ein Katheter in die Speiseröhre eingeführt und so das EMG-Signal des Zwerchfells erfasst. Als Alternative zum Patienten dient ein System mit einer Wasserröhre und zwei mit einem iPod verbundenen Drähten. Der iPod generiert zwei Stereosignale für die Wasserröhre und stellt so die EMG- und ECG-Signale bereit.
• Simulierte Eingabe eines Hardware-Simulators: Ein Signalgenerator liefert ein Sinussignal mit ca. 200 Hz.
• Simulierte Eingabe eines Software-Modells: Es war als Simulink-Modell implementiert und wurde mit dSPACE ControlDesk gesteuert.
• Dateien mit Patientenaufzeichnungen: Die Dateien werden vom PC gelesen und in Form von C-Lib-Funktionen in Echtzeit an die dSPACE-Hardware übertragen. Ausgewählt werden die Dateien mit ControlDesk.

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