Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Искусственная вентиляция легких в медицине 11
1.1. Биофизические основы искусственная вентиляция легких 11
1.2. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких 19
1.3. Влияние искусственной вентиляции на легочные функции 21
1.4. ИВЛ и самостоятельное дыхание 27
1.5. Методы искусственной вентиляции легких 28
1.6. Системы и аппараты для искусственной вентиляции легких 35
Выводы 42
Глава II. Системы и аппараты ИВЛ для задач медицины катастроф 47
2.1. Центры медицины катастроф и их медицинское обеспечение 47
2.2. Методики разделения пострадавших на группы риска 54
2.3. Исследование потребности систем ИВЛ для медицины катастроф 57
2.4. Медико-технические требования к переносным аппаратам ИВЛ и ингаляционного наркоза 59
2.5. Характеристика выпускаемых образцов аппаратов 62
2.6. Обоснование необходимости поверки аппаратов ИВЛ, используемых в медицине катастроф 64
2.7. Постановка задач исследования 67
Глава III. Биотехнические аспекты синтеза аппаратов для искусственной вентиляции легких 70
3.1. Модель процесса внешнего дыхания при искусственной вентиляции легких 70
3.2. Обобщенная структура систем ИВЛ для медицины катастроф 79
3.3. Компьютерное моделирование работы аппарата для искусственной вентиляции легких 87
Выводы 92
Глава IV. Структурные особенности приборов и аппаратов ИВЛ для медицины катастроф 94
4.1. Переносные аппараты искусственной вентиляции легких для медицины катастроф 95
4.2, Переносные аппараты вспомогательного дыхания 103
4.3. Переносные аппараты дыхательной реанимации 110
4.4, Переносные наркозно-дыхательные аппараты 121
Выводы 127
Глава V. Разработка и экспериментальные исследования приборов и аппаратов ИВЛ 128
5.1. Разработка и производство приборов пневмотехники для медицины катастроф 128
5.2. Основные параметры аппаратуры дыхательной реанимации, подлежащие контролю и регламентным проверкам 132
5.3. Разработка испытательных стендов 133
5.4. Методики контроля параметров аппаратов ИВЛ 137
5.5. Автоматизированный комплекс для поверки дыхательно-реанимационной техники 143
5.6. Функциональные схемы оборудования контроля и проверки дыхательной аппаратуры 149
5.7. Результаты испытаний и поверки разработанных наркознодыхательных аппаратов 153
Выводы 155
Основные результаты диссертации 157
Список литературы 159
Приложение 165
- Системы и аппараты для искусственной вентиляции легких
- Медико-технические требования к переносным аппаратам ИВЛ и ингаляционного наркоза
- Компьютерное моделирование работы аппарата для искусственной вентиляции легких
- Основные параметры аппаратуры дыхательной реанимации, подлежащие контролю и регламентным проверкам
Введение к работе
Искусственную вентиляцию легких (ИВЛ) применяют ежедневно для многих тысяч больных во время оперативных вмешательств, в процессе интенсивной терапии, при внезапных изменениях состояния человека. Сфера применения ИВЛ постоянно расширяется, предлагаются все новые методики и технические средства, пригодные для применения в условиях непредвиденных обстоятельств, когда жизнь человека подвержена значительной опасности за счет влияния внешних неуправляемых факторов — горячие цеха, интенсивный труд, особые атмосферные условия [1].
Для большинства анестезиологов и реаниматологов ИВЛ - рутинная процедура, но они не единственные, связанные с этим типом лечебной процедуры. Различные методы искусственной вентиляции используют терапевты, невропатологи, токсикологи, врачи скорой помощи. При этом кажущаяся простота и «привычность» ИВЛ не гарантируют от ошибок и связанных с ними осложнений, особенно при применении методов ИВЛ в неклинических условиях. Это объясняет повышенный интерес к различным проблемам теории и практики ИВЛ, исследованию которых посвящено огромное число публикаций и разработок [2, 3, 5,9].
За последние 10 лет произошли значительные изменения во многих концепциях и подходах к респираторной поддержке. В первую очередь это касается разработки и внедрения в практику новых способов и режимов ИВЛ, особенно вспомогательной вентиляции легких (ВВЛ). Усовершенствованы методы проведения ИВЛ и ВВЛ, созданы современные аппараты ИВЛ (респираторы), обладающие широкими функциональными возможностями, построены базы данных и знаний, которые сегодня широко доступны для пользователей этой техники - все это позволяет предполагать, что проблемы ИВЛ скоро будут решены. Однако в некоторых частных, но очень важных для человечества, применениях возникают особые задачи по использованию респираторной техники, связанные с условиями их применения на человеке.[3, 5]
К таким задачам следует отнести условия критических состояний человека, когда борьба за его жизнь не может иметь успех без клинической поддержки, а ее быстрое подключение невозможно. К таким непредвиденным обстоятельствам относятся катастрофические ситуации, связанные с природными и техногенными факторами. В этих условиях изменяются цели медицинской поддержки пострадавшего; он должен быть в кратчайший срок доставлен в клинический стационар. Поэтому цель всех медицинских мероприятий - поддержать жизнь человека до его поступления в госпиталь или больницу. Особые требования к выполнению медицинских мероприятий при наступлении непредвиденных обстоятельств привели к формированию нового структурного подразделения в системе здравоохранения — Центры Медицины Катастроф (ЦМК), для реализации задач которой сформированы территориальные Центры Медицины Катастроф (ТЦМК), призванные обеспечивать в различных регионах страны решение медицинских задач в особо сложных условиях [24, 25, 26].
Практика показывает, что вероятность поражения дыхательной системы человека в условиях катастроф очень велика, поэтому в составе медицинской техники, которой оснащаются ЦМК, должны быть представлены и средства респираторной техники. В то же время условия использования этой техники иные, поэтому требования к ней существенно отличаются от требований в аппаратам и методам ИВ Л для клинических применений. Известные аппараты ИВ Л лишь в незначительной степени пригодны для катастрофических ситуаций, они не отвечают многим требованиям, которые предъявляются к этому виду техники медицинскими специалистами [3, 4].
Целью данной работы является разработка малогабаритных, автономных, электроэнергонезависимых аппаратов ИВ Л и ВВЛ, обеспечивающих возможность решения медицинских задач по поддержанию жизни пострадавшего человека в условиях чрезвычайных ситуаций до его поступления в клинический стационар.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - провести анализ известных технических решений для ИВЛ и ВВЛ, пригод ных для использования в экстремальных условиях; создать модель внешнего дыхания человека, находящегося в условиях чрезвычайной ситуации в процессе оказания ему помощи с применением аппаратов искусственной вентиляции легких; предложить обобщенную структуру аппарата ИВЛ, способного решать основные задачи поддержки жизни пострадавшего; разработать основные узлы пневмоавтоматики и варианты их включения для создания различных типов портативных аппаратов ИВ Л, не требующих внешних электрических источников питания; предложить методики и технические средства поверки и калибровки аппаратов ИВ Л для МК; провести испытания различных вариантов аппаратов ИВ Л в лабораторных и полевых условиях.
Объектом исследования являются аппараты ИВЛ и ВВЛ, предназначенные для использования в условиях чрезвычайных ситуаций.
Предметом исследований выступают методы и технические решения как отдельных узлов, так и аппаратов в целом, предназначенных для применения в особо опасных для жизни человека условий.
Методы исследований. Исследования базируются на теории системного анализа и биотехнических систем, методологии моделирования физиологических систем организма, методах описания пневматических устройств, технологиях исследования метрологических, характеристик измерительных устройств, методах статистического анализа и проведения экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях. При проведении лабораторных исследований использовалась материально-техническая база кафедры БМЭ и ОС СПБГЭТУ "ЛЭТИ", а полевые испытанию проводились на базе территориального Центра медицины катастроф Санкт-Петербурга.
Новые научные результаты. В процессе выполнения исследований автором получены следующие научные результаты:
1. Анализ известных разработок аппаратов для ИВЛ и ВВЛ с точки зрения возможности их использования в условиях катастроф показал, что они малопригодны для применения в экстремальных условиях из-за использования внешних источников питания, громоздкости, сложности управления и настройки, большого числа функций, которые в указанных условиях не нужны. Они не обеспечивают требуемых технических характеристик в широком диапазоне изменения температуры среды, влажности, атмосферного давления, механических воздействий. Анализ опыта работы ТЦМК показал, в таких условиях требуются малогабаритные, автономные и экономичные аппараты, не привязанные к источникам электрического питания и обеспечивающие выполнение всех мероприятий, необходимых для поддержания жизни пострадавших. Предложена номенклатура аппаратов ИВ Л и ВВЛ для ЦМК.
Разработана математическая модель процесса искусственной вентиляции легких пациента, находящегося в условиях чрезвычайной ситуации, отражающая взаимодействие наркозно-дыхательного аппарата с пациентом. Сформулированы требования к аппаратам ИВЛ и ВВЛ для этих условий, и определены рабочие параметры аппаратов, которые необходимо контролировать в процессе медицинских мероприятий. Показано, что этот вид техники представляет собой специфическую биотехническую систему, функционирование которой определяется состоянием дыхательной функции человека.
Предложены обобщенная схема переносного наркозно-дыхательного аппарата, а также структурные схемы и конструктивные решения ряда важнейших узлов аппаратов ИВЛ и ВВЛ, выполненных на базе элементов пневмоники, обеспечивающих требования по надежности и экономичности и не требующих источников электрического питания. .
Предложены методики и разработаны технические средства для настройки, калибровки и поверки разных аппаратов ИВЛ и ВВЛ, которые позволяют проводить эти мероприятия в полевых условиях.
Практическую ценность работы составляют; математическая модель внешнего дыхания, отражающая работу легких при подключении к аппаратам ИВЛ и ВВЛ, сформулированы требования к этим аппаратам при их использовании в экстремальных условиях; структурные схемы и конструктивные решения основных блоков аппаратов ИВЛ и ВВЛ для медицины катастроф, выполненные на элементах пневмоники и обеспечивающие выполнение всех требований к аппаратам этого назначения; методики настройки, калибровки и поверки аппаратов ИВЛ и ВВЛ и поверочный стенд, пригодных для выполнения таких функций для любых образцов респираторной техники, в том числе и в полевых условиях; образцы аппаратов ИВЛ и ВВЛ, разработанные с применением предложенных узлов и прошедшие аттестацию на пригодность к применению в условиях медицины катастроф; - результаты лабораторных и полевых испытаний образцов разработанной техники, показавших высокую эффективность их использования. Научные положения, выносимые на защиту:
При разработке переносных наркозно-дыхательных аппаратов для медицины катастроф необходимо учитывать особенности взаимодействия элементов биотехнической системы врач-спасатель - наркозно-дыхательный аппарат - пациент в чрезвычайных условиях. Они определяют специфические требования, предъявляемые к наркозно-дыхательному аппарату, и его структуру, обеспечивающую независимость задания и изменения параметров вентиляции в чрезвычайных условиях.
Для выполнения медико-технических требований, предъявляемых к переносным наркозно-дыхательным аппаратам для задач медицины катастроф, они должны быть реализованы на элементах пневмоники и сохранять работоспособность и технические характеристики в широком диапазоне изменения параметров условий эксплуатации.
Структурные особенности переносных аппаратов для искусственной и вспомогательной вентиляции, анестезии и ингаляции определяются последовательностью информационных преобразований, реализуемых элементами пневмоники для изменения давления и скорости объемной вентиляции в структурных элементах легких пациента с учетом их характеристик.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2000 - 2005 гг.), научно-технической конференции НТО РЭС им. А.С.Попова (2003 - 2004 гг.), Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (Тверь, 2002 г.), I Международном конгрессе «Новые медицинские технологии» (Санкт-Петербург, 2001 г.). VII Международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 2001).
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Результаты данной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды СПбГЭТУ БЭС-72 «Метод и автоматизированная система для контроля характеристик и поверки реанимационной пнев-мотехники» (2002-2003 г.г., № госрегистрации 01200202116), БЭС-61 «Разработка теоретических основ синтеза интеллектуальных биотехнических систем для диагностики, лечения и коррекции состояния человека», (2001-2004 г.г., № госрегистрации № 1200003096).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, 21 свидетельство на полезную модель Роспатента РФ, 6 материалов в сборниках научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 56 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста. Работа содержит 35 рисунка и 5 таблиц.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 56 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста. Работа содержит 35 рисунка и 5 таблиц.
В первой главе диссертации проведены анализ структуры и функций дыхательной системы человеческого организма, сравнительный анализ характеристик основных вариантов выполнения аппаратов ИВЛ и ВВЛ, отмечены трудности выполнения поверки и калибровки аппаратов этого типа, показано, что они малопригодны для использования в задачах медицины катастроф. Здесь же сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена изучению потребности центров медицины катастроф в аппаратах ИВЛ и ВВЛ. В ней приведен анализ состояния потерпевших на примере катастроф, случившихся в период 2000-2004 г.г.; приведена оценка медицинских задач, возникающих для этих условий, сформулированы требования к аппаратам ИВЛ и ВВЛ для рассматриваемых применений.
В третьей главе рассмотрена математическая модель дыхательной системы человека, находящегося в катастрофических ситуациях. Показано, что для этих условий не требуется детальной оценки всех дыхательных функций, необходимо контролировать параметры поверхностного дыхания, а кроме того, параметры, отвечающие за контроль выполнения медицинских мероприятий по поддержанию жизни пострадавшего.
В четвертой главе нашли отражения предложения по конструктивному и структурному выполнению как основные узлов аппаратов, так по включению этих узлов в общую структуру аппарата. Здесь же рассмотрены задача метрологического контроля аппаратов ИВ Л и ВВЛ, структура поверочного стенда, основные параметры такого стенда для этого класса устройств.
Пятая глава посвящена описанию разработанных вариантов аппаратов ИВ Л и ВВЛ, изложению результатов их лабораторных и полевых испытаний при решении основных медицинских задач по оказанию помощи пострадавшим,
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Системы и аппараты для искусственной вентиляции легких
Аппараты ИВЛ - наиболее сложный вид наркозо-дыхательной аппаратуры. Он сложен в методическом плане, потому что реализует несколько обычных, не совсем обычных и совершенно необычных способов замены самостоятельной вентиляции. В начале широкого применения аппаратов ИВЛ их устройство и конструкция были достаточно разнообразными, но сейчас основные схемные решения, применяемые различными изготовителями, установились, и поэтому облегчилась задача обобщенного анализа устройства аппаратов. Основными целями применения аппаратов ИВЛ являются [10]: - замена отсутствующей или усиление неадекватной самостоятельной вентиляции; - снижение патологически увеличенной работы, затрачиваемой больным на вентиляцию; - устранение (или хотя бы снижение) неблагоприятных воздействий на пациента, обусловленных резким отклонением механики ИВЛ от механики нормального дыхания. Для достижения этих целей аппаратура ИВЛ должна удовлетворять нескольким общим требованиям: - необходимость соответствия аппаратуры медицинской технологии; - обеспечение безопасности пациента и медицинского персонала; - обеспечение нагрев вдыхаемого газа до температуры 35 - 37 С, относительную влажность 100% и максимальную очистку от пыли и микрофлоры; - обеспечение надежности работы; - выполнение требований к эргономике, дизайну и инженерной психологии в данной области, особо для условий, исключающих чтение оператором инструкций, опробование и проверку аппаратуры. Как достаточно сложные технические устройства, аппараты ИВЛ можно классифицировать по различным признакам (рис. 1.2). Из многообразия показаний и мест применения ИВЛ вытекает необходимость оснащения лечебных учреждений достаточно обширной номенклатурой аппаратов данного назначения, а именно: 1. Для длительного применения в отделениях интенсивной терапии, реанимации, послеоперационных палатах и отделениях, В связи с резким различием диапазонов параметров необходимы отдельные модели, предназначенные: - для взрослых и детей старшего возраста; - для новорожденных и детей в возрасте до 5—6 лет.
В каждой "возрастной" категории аппаратов находят спрос 2—3 модели, отличающиеся шириной набора функциональных возможностей, диапазоном установки параметров, степенью оснащения средствами мониторинга, дополнительными возможностями, а также стоимостью. 2. Для применения во время ИА по любому дыхательному контуру и сис-пользованием любых известных анестетиков. При этом также должна быть обеспечена возможность применения и у взрослых, и у детей. Функциональные возможности таких аппаратов могут быть значительно сужены, и градация по широте возможностей, по-видимому, не требуется. 3. Для применения в условиях скорой помощи, экстремальной медицины, при медицинской эвакуации и др. Здесь на первый план выступают: автономность, портативность, возможность использования аппаратов так называемыми парамеди-ками. Просматриваются две категории аппаратов - с ручным приводом и автономным пневмопитанием. Градации по возрасту пациентов также необходимы. Аппараты для реализации некоторых специфических методик, например ВЧ ИВ Л,бронхоскопии и др. Аппараты специального назначения, применяемые для оживления новорожденных. Общая структурная схема аппарата ИВЛ показана на рис. 1.3, а функции ее основных блоков представлены в табл. 1.2. На рис. 1.4 на примерах разработок ВНИИМП приведена типовая структурная схема аппаратов ИВЛ. Для упрощения на них не показаны предохранительные и измерительные устройства, фильтры, вспомогательные блоки и т. п.
При классификации по техническим признакам прежде всего следует выделить в качестве классификационных признаков привод аппарата, тип которого имеет большое значение для потребителя (рис. 1.4, а), В настоящее время область применения аппаратов с пневмоприводом и без применения электрических силовых устройств сильно сузилась, и такие аппараты применяются только как портативные устройства для скорой помощи. Значительное распространение получили модели, в которых энергетический привод от внешних источников сжатых газов сочетается с электронным микропроцессорным управлением.
Медико-технические требования к переносным аппаратам ИВЛ и ингаляционного наркоза
Основные мероприятия по экстренной медицинской помощи на догоспитальном этапе, которые могут предупредить развитие нарушений или способствовать временной стабилизации функционирования систем жизнеобеспечения при критическом состоянии, сводятся, прежде всего, к уменьшению нарушений функции внешнего дыхания и расстройств кровообращения, а также к устранению боли [58].
Так, например, при минно-взрывной травме, ставшей, к сожалению, обычной и в «мирное» время, опасные для жизни нарушения дыхания могут быть обусловлены различными факторами. Чаще всего они связаны с обструкцией дыхательных путей (западение языка, скопление в полости рта и глотки крови, слизи, рвотных масс, повреждение осколками взрывного устройства глотки, гортани, трахеи), сдавлением мозга гематомой, повреждением грудной клетки, а для развития пнев-моторекса достаточно попадания маленького осколка.
При различных поражениях, связанных с химическими и радиационными авариями, также возникает потребность в проведении подобных манипуляций. Они приводят к развитию следующих состояний: токсическая кома, сердечно-сосудистая недостаточность, токсический отек легких, угнетение дыхания и др.
Как показывает многолетний опыт работы ЦМК, при прочих чрезвычайных ситуациях (землетрясения, катастрофические наводнения, обрушения строений, транспортные катастрофы, локальные вооруженные конфликты, медико-санитарные последствия антитеррористических операций, пожары, эпидемии), связанных с большим количеством медико-санитарных потерь, в проведении интенсивной терапии с применением аппаратуры данного класса нуждается 65% от числа пострадавших [24].
Для устранения дыхательных расстройств для условий медицины катастроф нашли применение различные методы: искусственной вентиляции легких (ИВЛ), вспомогательной вентиляции легких (ВВЛ), оксигенотерапии (ОГТ) [26].
Традиционные методы ИВЛ могут включать как простые методики, связанные с периодическим раздуванием легких с помощью внешних источников воздушных потоков, так и более сложные, основанные на управлении давлением воздушного потока, изменении отношения вдох/выдох и т.п. (см. главу 1).
Методы ВВЛ учитывают наличие ослабленного, но самостоятельного дыхания у пострадавшего. Здесь также возможны разные методики: адаптационная — частота дыхания устанавливается так, чтобы принудительный аппаратный вдох совпадал с вдохом больного, у которого сохранено самостоятельное дыхание; триггерная аппарат откликается на начало каждого или определенного вдоха больного.
Методы ОГТ крайне важны для поддержания нормального соотношения уровней Ог и С02 в артериальной крови пациента: одним из широко распространенных методик этого типа является без аппаратный метод «рот-рот». Для ситуаций медицины катастроф большое значение имеет еще один вариант поддержки состояния пострадавшего - ингаляционный наркоз (ИН), который может быть проведен с помощью аппаратов ИВЛ. Этот метод применяется для устранения болевого синдрома, болевого шока, и в условиях катастрофы необходим на первых этапах поддержания жизни. Анестезия один из основных элементов интенсивной терапии, без устранения боли никакие операционные вмешательства невозможны. Основанием для проведения операции на фоне шока непосредственно на месте происшествия служат лишь продолжающееся внутреннее кровотечение и необходимость восстановления кровотока в магистральных сосудах конечности. Отмеченные особенности применения аппаратов ИВЛ позволяют более обоснованно подойти к выбору основных характеристик этих приборов. Для осуществления ИВЛ и ингаляционного наркоза приборы и аппараты должны иметь технические характеристики, которые позволили бы проведение вентиляции легких в полевых условиях у определенной категории пациентов в заданном режиме и с заданными параметрами. Поэтому в первую очередь следует говорить о функциональных требованиях, которые позволяют позиционировать рассматриваемые приборы как приборы и аппараты для ИВЛ. Функциональные требования формируются на основе совокупности технических характеристик, которыми должны обладать приборы и аппараты ИВЛ. К числу основных технических характеристик этого класса приборов следует отнести обеспечение [22, 27]: - требуемых диапазонов изменения частоты вдоха/выдоха; скорости и объема вентиляции легких; - диапазонов изменения давления в камере; -заданной концентрации кислорода. Наряду с функциональными требованиями следует выделить и специфичные, которые позволят позиционировать рассматриваемые приборы как приборы и аппараты ИВЛ для задач ЦМК [60]. Уже было показано, что эти приборы и аппараты используются в суровых полевых условиях, где нет служб обслуживания и ремонта медицинской техники. В то же время от надежности и работоспособности этих приборов во многом зависит жизнь людей, подвергнувшихся опасности, эффективность оказания первой медицинской помощи. Поэтому они должны удовлетворять специфическим требованиям. К их числу следует отнести требования по: - транспортабельности (иметь небольшой вес и габариты); - электроэнергонезависим ости (должны быть исключительно пневмомеханическими и не работать от источников электропитания); - оперативности эксплуатации (иметь малое время де консервации и подготовки к рабочему режиму); - простоте управления и эксплуатации (исключать ошибки в работе медпер сонала при эксплуатации приборов в экстремальных условиях); — надежности (сохранять работоспособность при переноске и эксплуатации в условиях механических воздействий, ударов, вибраций, широких перепадов темпе ратур и влажности, наличии пыли, возможность работы в условиях повышенного ионизирующего и радиоактивного излучения).
Специфичные условия эксплуатации фактически определяют структурные особенности современных аппаратов ИВ Л для ЦМК. В условиях широкого использования микроэлектроники, микропроцессорной техники эти приборы должны быть пневмомеханическими! Это обусловлено тем, что дыхание является жизненно важной функцией человека и в случае необходимости длительной искусственной вентиляции легких в отдаленных районах, где нет источников питания, либо в условиях ионизирующего или радиоактивного излучения эти приборы должны выполнять возложенную на них функцию.
Сформулированные специфические требования могут быть выполнены при особой конструкции приборов, закладываемой при его разработке, использовании высоконадежных механических управляющих элементов, регулирующих клапанов, переключателей и т.д. Надежность их функционирования, продолжительность наработки на отказ, во многом зависит от используемых материалов и конструктивных решений, реализации мероприятии по периодическому обслуживанию приборов и аппаратов при их хранении и эксплуатации.
Компьютерное моделирование работы аппарата для искусственной вентиляции легких
Физиологические исследования показывают, что параметры системы дыхания (коэффициент упругости р, остаточная емкость легких V0, дыхательный объем AV, сопротивления дыхательных путей на вдохе и выдохе Z\ и Z2) у разных организмов существенно различаются. Более того, отличаются и параметры гемодинамики, которые определяют процесс газообмена в кровеносных сосудах легких. Эти различия зависят от пола, возрастной группы, общефизической подготовки человека, его психофизиологического состояния. Возможно, существуют и другие факторы, влияющие на разброс параметров системы дыхания, которые на современном этапе представлений о процессах газообмена выделить из общей массы факторов достаточно сложно [30]. Тем не менее, в условиях чрезвычайной ситуации, когда требуется оказать помощь пострадавшему, разрабатываемый аппарат должен сохранять работоспособность. Поэтому большое значение приобретает исследование работоспособности и функциональных возможностей разрабатываемого аппарата ИВЛ при изменении целого ряда параметров системы «человек-аппарат ИВЛ» и условий эксплуатации.
Следует отметить, что в редукторе, задатчике концентрации кислорода, частоты вдоха-выдоха, и в других узлах аппарата ИВЛ регулировки осуществляются относительно внешнего атмосферного давления Рдтм- При эксплуатации аппарата ИВЛ в различных климатических условиях, когда в широком диапазоне изменяются атмосферное давление и температура среды, будут появляться существенные погрешности в работе аппарата (задании параметров вентиляции), которые могут отразиться и на работоспособности аппарата в целом.
Разрабатываемые аппараты ИВЛ используются для принудительной искусственной вентиляции легких пациентов в течение некоторого времени, необходимого для оказания первой медицинской помощи пострадавшему в эпицентре чрезвычайной ситуации, оказания специализированной помощи и эвакуации пострадавшего в безопасную зону для оказания последующей медицинской помощи. Использование аппарата не должно приводить к нежелательным последствиям вплоть до механических повреждений легких. Для оценки функциональных возможностей разрабатываемых аппаратов ИВ Л и безопасности их использования необходимо провести машинное моделирование процесса ИВЛ, осуществляемого с использованием разработанных математических моделей и с учетом различных вариантов изменения параметров внешнего дыхания и физиологических показателей пациентов.
Мониторинг физиологического состояния людей, находящихся в условиях принудительной вентиляции легких, показал, что такая процедура (принудительная вентиляция) не оказывает необратимых изменений в состоянии легких при продолжительности вентиляции до 30-40 минут [5]. Длительную (более 60 минут) принудительную вентиляцию людей проводить не рекомендуют из-за возможных травматических последствий, оказываемых прибором.
Для проведения принудительной ИВ Л взрослых пациентов аппараты должны обеспечивать следующие режимы работы: плавное регулирование минутной вентиляции при проведении ИВЛ воздушно-кислородной смесью в диапазоне от 2 до 20 л/минуту; плавное регулирование частоты вентиляции в диапазоне от 10 до 50 мин"1; максимально безопасное давление газа или смеси, подаваемой пациенту не более 5 кГТа; фиксированные уровни концентрации кислорода в воздушной смеси 50 или 75%; положительное давление на выдохе не более 1,5 кПа.
Разрабатываемый аппарат ИВЛ должен обеспечивать изменение концентрации кислорода от 20 до 40%, изменение отношения продолжительности фазы выдоха t2 к продолжительности фазы вдоха Ц в диапазоне от 1/2 до 2.
Учитывая возможные варианты изменения всех задаваемых параметров необходимо убедиться в том, что согласно полученной математической модели процесса внешнего дыхания аппарат будет сохранять работоспособность. С этой целью проведены исследования изменения внешнего давления P(t), формируемого аппаратом, при различных вариантах и значениях задаваемых параметров.
В основе программы для моделирования возможных вариантов изменения параметров предложен следующий алгоритм (рис. 3.5).
Идея проверки допустимых режимов работы и области работоспособности разрабатываемого аппарата заключается в формировании многомерной матрицы фиксированных уровней (значений) различных параметров, в случайной выборке, как значений параметров, так и сочетаний параметров, подстановке выбранных параметров в уравнение, описывающее работу аппарата ИВЛ, и проверке соответствия выходных параметров аппарата заданным значениям [61]. На первом этапе (блок I) уточняется диапазон изменения всех параметров аппарата ИВЛ: диапазон изменения минутной вентиляции Dy =[VMHHfVMaKc:]J диапазон изменения соотношения вдох-выдох Dj [Rв Мин Квд/вьщ макс], диапазон изменения частоты вентиляции Dp =[FMHH, FMaKC], диапазон изменения концентрации кислорода в формируемой смеси Dc =[Со2мин, Со2максЗ диапазоны изменения атмосферного давления Dp =[СРмин, СРнакс] и температуры DT =[СТмин, СТмакс], при которых аппарат сохраняет работоспособность.
На втором этапе (блок 2) задаются количества уровней дискретизации Nj каждого из вышеперечисленных параметров: вентиляции Ny, частоты NFB давления газовой смеси NPCM атмосферного давления N?ATM концентрации кислорода Ncoi отношения продолжительности вдоха-выдоха NR, изменения температуры NT.
На третьем этапе в соответствии с заданным количеством уровней дискретизации N вычисляются фиксированные значения параметров: вентиляции VB, частоты FB, давления смеси Рем» атмосферного давления Рдтм отношения вдоха-выдоха R, температуры Т, концентрации кислорода Сог, и т.д.
Основные параметры аппаратуры дыхательной реанимации, подлежащие контролю и регламентным проверкам
Несмотря на многообразие аппаратов для проведения искусственной вентиляции легких и других видов дыхательной терапии, сравнительный анализ технических характеристик аппаратов, предназначенных для дыхательной реанимации, по соответствующим техническим условиям (ТУ) на аппараты показал, что основные параметры дыхания рассматриваемой аппаратуры, подлежащие входному контролю и регламентным проверкам, сводятся к следующим: - пределы регулирования минутной вентиляции (л/мин): нижний, не более - 3 л/мин; верхний, не менее - 20 л/мин; - пределы регулирования дыхательного объема, (л) : нижний, не более - 0,2 л; верхний, не менее - 1,2 л; - пределы регулирования частоты вентиляции (мин"1): нижний, не более- 10 мин 1; верхний, не менее-30 мин"1; - отношение продолжительностей вдоха и выдоха: нижний предел, не более -1 : 1,5; верхний предел, не менее -1 : 2; - максимальное рабочее давление (кПа) - 3 - 8; - потеря давления аппарата в линии пассивного выдоха (кПа) не более 0,2; -утечка газа в части дыхательного контура, находящегося под давлением, не более 4 л; - время установления рабочего режима не более 30с; - давление питания аппаратов (0,4 ± 0,05) МПа. При разработке аппаратов по медико-техническим требованиям, утвержденным МЗ РФ, дополнительно могут быть рекомендованы следующие функции; - ингаляция кислородом в диапазоне 2-20 л/мин; - минутная вентиляция при проведении ИВЛ кислородом в диапазоне 2-8 л/мин; - обеспечение концентрации кислорода в кислородно-воздушной смеси -50%; - поддержание положительного давления на выдохе в диапазоне 0-1,5 кПа.
Предельные отклонения максимальных значений независимо регулируемых параметров для аппаратуры искусственной вентиляции легких (ИВЛ) при номинальных значениях пневмопитания (электропитания) в соответствии с НТД не должны превышать для минутной вентиляции при давлении 3 кПа ± 15%; для дыхательного объема при давлении 3 кПа ± 10%; для частоты дыхания ± 10%. Изложенное в главе 2 соображения по необходимости периодического контроля параметров аппаратов ИВЛ явилось основанием для определения номенклатуры средств КИА, разработки стендового оборудования для проведения контроля, проверки параметров и регламентных работ пневматической реанимационной аппаратуры и соответствующих методик поверки. Анализ медико-технических требований наиболее широко используемой отечественной и зарубежной аппаратуры для дыхательной реанимации, а также разработка методов контроля выходных параметров, изложенных в разделах 3 и 4 позволяют определить необходимый комплект средств измерения параметров, а также дополнительные устройства, входящие в состав стендового оборудования, которые сводятся к следующим [59]: - имитатор (или модель) легких; - волюмоспирометр (или волюметр); - мановакуумметр; - манометр образцовый; - ротаметр; - преобразователь пневмоэлектрический; -секундомер (электрический, электронный или механический); - газоанализатор кислорода. Кроме указанных средств в состав стендового оборудования должен входить источник пневмопитания (пневмосеть, компрессор или газовые баллоны), обеспечивающий требования, предъявляемые к чистоте воздуха. Входящий в состав стендового оборудования ротаметр позволяет измерять величину непрерывного потока газа при проведении ингаляции и определении величины подсоса воздуха. Точная величина концентрации кислорода в смеси с воздухом измеряется газоанализатором.
Для измерения временных параметров дыхания используются пневмоэлектрический преобразователь, секундомер и, при необходимости, счетчик циклов. При разработке и эксплуатации рассмотренных в главе 4 аппаратов ИВЛ большое внимание было уделено вопросам контроля, поверки характеристик прибора, проведения регламентных работ в медицинских учреждениях и хранилищах медтехники, а также на различных этапах ее эксплуатации. Для этих целей целесообразно разработать стационарные стенды с использованием персональной ЭВМ для автоматизированной оценки характеристик поверяемых аппаратов. Однако для аппаратов ДАР-07 и его ранних версий, предназначенных для использования в полевых условиях, требовалась разработка переносного испытательного стенда, а также методик их поверки и периодических испытаний. Характерной особенностью применения реанимационной аппаратуры в условиях медицины катастроф, спасательных служб, полевой хирургии и др., является периодическое использование аппаратуры в интенсивном режиме работы в течение установленных сроков хранения и службы. В связи с этим одним из основных требований, предъявляемых к такой аппаратуре, является обеспечение ее работоспособности, т.е. обеспечение основных технических характеристик аппаратуры как в период хранения аппаратуры на складах, так и на протяжении всего срока службы после истечения ее срока хранения [13, 14, 15].
Выполнение этого требования диктует настоятельную необходимость организации входного контроля и проверки основных параметров аппаратуры на различных этапах ее изготовления и эксплуатации. Большое значение имеет и осуществление [16]: - приемки аппаратуры «Заказчиком» с проверкой основных технических характеристик на стадии выпуска изделий на пред приятии-изготовителе; - обеспечение входного контроля и периодической проверки работоспособности аппаратов непосредственно в медицинских учреждениях перед применением аппаратов в медицинской практике; - контроль и поверка аппаратов, находящихся на складах, базах хранения и полевых пунктах до момента использования аппаратов по назначению. Входной контроль, предъявление и удовлетворение рекламаций предприятия отрасли осуществляют в соответствии с утвержденными инструкциями. К входному контролю допускаются аппараты, принятые на предприятии-поставщике отделом технического контроля (ОТК), поступившие с сопроводительными документами (паспорт, руководство по эксплуатации, формуляр, акт технической приемки и т.п.), оформленными в установленном порядке. Отбор аппаратов по каким-либо параметрам при проверке па входном контроле не допускается. Номенклатура контролируемых параметров при входном контроле не должна превышать установленную в нормативно-технической документации (НТД) на аппараты.
