Новое поколение аппаратов искусственной вентиляции легких

   

П. Кантор, В. Лопашов, М. Филатов, Г. Лескин

Новое поколение аппаратов искусственной вентиляции легких

Сотрудниками МОКБ «Марс», совместно с ведущими специалистами Центра сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева РАМН, МОНИКИ им. М.В. Владимирского и 7-ой клинической больницы, проведены исследования возможности реализации блочно-модульного принципа построения аппаратов искусственной вентеляции лёгких различных областей применения.

Во многих случаях нарушения функций внешнего дыхания пациента приводят к острой дыхательной недостаточности. Для временного замещения этих нарушенных функций используют аппарат искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ), реализующий “механическую” компоненту внешнего дыхания.

В составе аппарата ИВЛ (АИВЛ) можно выделить три структурных блока:

  • источник газа, подаваемого пациенту (генератор вдоха);
  • распределительное устройство, представляющее собой совокупность исполнительных механизмов, обеспечивающих характеристики газового потока в различных фазах дыхательного цикла в соответствии с управляющими сигналами, поступающими на их входы;
  • система управления, формирующая эти сигналы по алгоритмам, определяемым выбранными режимами и параметрами ИВЛ [1].

Анализ принципов построения современных зарубежных АИВЛ показывает, что в конструкции распределительного устройства применяются электронно-управляемые исполнительные механизмы, а система управления и отображения информации построена, как правило, на мощной микропроцессорной технике.

Эти принципы построения позволяют обеспечить:

  • высокую надёжность работы аппарата и безопасность для пациента;
  • функциональность, то есть возможность реализации большинства апробированных методик ИВЛ;
  • мониторинг задаваемых параметров и параметров состояния пациента.

В отечественных образцах АИВЛ преобладает принцип построения распределительного устройства на комбинации пневмомеханических и электромеханических исполнительных механизмов. Этот принцип не позволяет использовать в системе управления все возможности микропроцессорной техники, так как многие параметры режимов ИВЛ приходится регулировать вручную.

Однако, как в отечественных, так и в зарубежных образцах АИВЛ используются различные принципы построения распределительных устройств, различные алгоритмы управления режимами и параметрами ИВЛ для аппаратов различных областей применения. Следствием этих различий являются:

  • необходимость разработки нового аппарата при появлении новой медицинской методики респираторной поддержки;
  • необходимость запоминания врачом алгоритмов управления всех АИВЛ, находящихся в отделении;
  • определённые трудности в техническом обслуживании АИВЛ.

Сотрудниками МОКБ «Марс», совместно с ведущими специалистами Центра сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева РАМН, МОНИКИ им. М.В. Владимирского и 7-ой клинической больницы, проведены исследования возможности реализации блочно-модульного принципа построения АИВЛ различных областей применения.

Результаты исследований показали, что блочно-модульный принцип построения АИВЛ обеспечивает:

  • единую конфигурацию распределительного устройства АИВЛ любой области применения на базе пропорциональных электропневматических регуляторов (ПЭПР) [2];
  • общий алгоритм управления режимами и параметрами ИВЛ для аппаратов различных областей применения;
  • возможность дальнейшей модернизации АИВЛ при появлении новых медицинских методик респираторной поддержки за счёт изменения программного обеспечения без изменения его конструкции.

Основным модулем АИВЛ нового поколения является локальный контур управления (ЛКУ) режимами и параметрами ИВЛ. Блок-схема ЛКУ представлена на рис. 1.

Рис. 1. МП-контроллер на базе PIC16C74

В представленной блок-схеме ПЭПР 2, 3 одновременно и независимо выполняют несколько функций:

  • смеситель двух газов;
  • регулятор скорости постоянного потока газовой смеси (регулятор минутной вентиляции);
  • регулятор частоты вентиляции;
  • регулятор относительного времени вдоха (Ti/Tc, %);
  • регулятор давления и формы кривой скорости потока в фазу вдоха.

ПЭПР 1 в совокупности с электропневмораспределителем (ЭМК) и мембранной коробкой (МК) выполняет функции управляемого клапана выдоха, позволяющего регулировать величину давления конца выдоха.

Микропроцессорный (МП) контроллер (рис. 2) построен на базе контроллера PIC16C74.

Рис. 2. Схема комплексного оснащения палаты реанимации

Данный контроллер обладает наиболее полным набором аппаратных и процедурных средств для реализации локальных контуров управления газовым потоком в сочетании с развитыми средствами коммутации, необходимыми при взаимодействии с глобальным уровнем управления.

Локальный контур управления, в зависимости от используемого программного обеспечения, в сочетании с компрессором медицинского воздуха в качестве генератора вдоха, может служить базой для АИВЛ в следующих областях применения:

  • для палат пробуждения отделений анестезиологии, а также отделений реанимации и интенсивной терапии как аппарат вспомогательной респираторной поддержки с минимальным набором функциональных возможностей для больных с нарушением вентиляционных функций, не связанных с патологией организма;
  • для отделений реанимации и интенсивной терапии как аппарат респираторной поддержки с расширенным набором функциональных возможностей, но с минимальным мониторингом для больных с незначительной патологией.

В тех случаях применения АИВЛ, когда требуется максимальный набор функциональных возможностей, а мониторинг не ограничивается слежением за кривой давления в дыхательных путях, необходимо введение модулей многоуровневой распределённой системы глобального управления. Функциональный состав и структура многоуровневой распределённой системы глобального управления определены условиями информационной и программно-аппаратной совместимости трёх основных модулей, организованных в виде иерархической структуры:

  • пульт управления с монитором;
  • двухпроцессорная плата ST90T30 — WARP;
  • распределённый по исполнительным механизмам и датчикам контроллер на базе PlC16C74.

При наличии обратной биологической связи (ОБС), которая может быть реализована основе численно-лингвистических преобразований, врач-оператор в данной структуре будет рассматриваться как верхнее звено управления, в котором модуль пульта управления с монитором будет исполнять роль интерфейса ОБС.

Задача следующего модуля — двухпроцессорной платы ST90T30 — WARP заключается:

  • в формировании управляющих директив верхнего уровня, которые раскрывают информацию о состоянии пациента и реализации заданных режимов и параметров ИВЛ;
  • в формировании сигналов графического и цифробуквенного отображения полученной информации на стандартном 15" мониторе;
  • в формировании сигналов управления модулем локального контура для коррекции заданных параметров ИВЛ;
  • в перспективе, в формировании сигналов автоматического управления режимами и параметрами ИВЛ по каналам обратной биологической связи.

Методика автоматического управления АИВЛ на основании объективных физиологических показателей состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем пациента может быть реализована по правилам нечёткой логики по следующей схеме:

Датчики ® Фазификация® ® БНП ® Дефазификация ®     ® Управляющий сигнал

В блоке нечётких правил (БНП) расположены правила вида:
Если А, то В (А ® В),

где А — возможные состояния больного, а В — предпринимаемые действия, также описываемые значениями лингвистической переменной. Тем самым, реализуется задача выбора оптимальной траектории перехода из исходного положения с полностью заменённым дыханием в конечное состояние с самостоятельным дыханием, оперируя при этом терминами “немного”, ”сильно”, ”максимально”, которые формализуются в управляющие сигналы исполнительных механизмов.

Директивы данного уровня через глобальную связь адресно поступают по соответствующим каналам на ЛКУ.

Следует заметить, что стоимость единичного АИВЛ с многоуровневой распределённой системой глобального управления достаточно высока.

В связи с этим, представляет интерес схема многоуровневой распределённой системы глобального управления несколькими ЛКУ для комплексного оснащения стандартных 4-, 6- или 8-коечных палат отделения реанимации (рис. 3).

В этом случае, каждое место пациента оснащается ЛКУ (простейшим АИВЛ), все ЛКУ объединены в единую сеть с двухпроцессорной платой WARP.

В зависимости от состояния пациента, врач выбирает тот или иной алгоритм функционирования ЛКУ и необходимый для мониторинга набор датчиков.

Процесс ИВЛ, осуществляемый всеми задействованными в данный момент ЛКУ, отслеживается и контролируется в одном месте — на сестринском посту или, при необходимости, дублируется в ординаторской. Монитор работает в режиме сканирования, отдавая приоритет ЛКУ, в работе которого наблюдается аварийная ситуация:

  • разгерметизация контура “аппарат-пациент”;
  • выход заданных параметров за установленные пределы сигнализации и так далее.

Рис. 3. Схема комплексного оснащения палаты реанимации

Управление процессом может осуществляться централизованно, либо автономно с клавиатуры каждого из ЛКУ.

Преимущества подобного комплексного оснащения реанимационной палаты будут заключаться в следующем:

  • надёжность — достигается за счёт резервирования системы управления в WARP и ЛКУ;
  • экономичность — отпадает необходимость оснащения каждого аппарата дорогостоящим монитором и набором датчиков;
  • удобство в эксплуатации — вне зависимости от класса аппарата, алгоритм управления, задания режимов и параметров один и тот же.

Кроме того, реализация исследованных принципов построения даёт определённые преимущества в производстве и техническом обслуживании АИВЛ, так как отличие в области применения АИВЛ будет заключаться только в программном обеспечении, выбираемым врачом для конкретного пациента. Конструктивное решение АИВЛ различного класса при этом остаётся неизменным.

Литература

  • Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.С., Юревич В.М. Искусственная вентиляция лёгких. — М.: Медицина. — 1986.
  • Кантор П.С., Лескин Г.С., Ульянов С.В. Применение пропорционального электропневматического регулятора в аппаратах ИВЛ. — М.: Медицинская техника. — 1994. — № 1.

    Тел.: 978 9928






  • Рекомендуемый контент




    Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.