Разработка процессорного модуля аппарата искусственной вентиляции лёгких

Сила сокращений дыхательной мускулатуры при вентиляции легких на-правлена на преодоление упругих и вязких сопротивлений. При очень медлен-ном дыхании вязкие сопротивления весьма невелики, поэтому соотношение между объемом и эффективным давлением в дыхательной системе почти цели-ком определяется упругими (эластическими) свойствами легких и грудной клетки.

При вдохе и выдохе дыхательная система преодолевает неэластическое (вязкое) сопротивление, которое складывается из следующих компонентов: 1) аэродинамического сопротивления воздухоносных путей; 2) вязкого сопротив-

ления тканей; 3) инерционного сопротивления (последнее настолько мало, что им можно пренебречь).

Вдыхаемый или выдыхаемый воздух движется по воздухоносным путям под действием градиента давления между полостью рта и альвеолами. Этот градиент давления служит движущей силой для переноса дыхательных газов.. Неэластическое сопротивление равно сумме сопротивления воздухоносных путей и сопротивления тканей. Сопротивление тканей сравнительно невелико: в норме общее неэластическое сопротивление легких на 90% создается сопро-тивлением воздухоносных путей, и лишь на 10%-сопротивлением тканей.

При повышенном аэродинамическом сопротивлении дыхательных пу-тей наблюдается характерное снижение частоты спонтанного дыхания и увеличении дыхательного объема. Обратное явление происходит при увеличении эластического сопротивления , когда частота дыхания за-метно увеличивается и может стать в 2--3 раза больше нормальной , а дыхательный объем уменьшится.

Остановка дыхания независимо от вызвавшей ее причины смертельно опасна. С момента остановки дыхания и кровообращения человек находится в состоянии клинический смерти. Как правило, уже через 5-10 мин недостаток О2 и накопление СО2 приводят к необратимым повреждениям клеток жизненно важных органов, в результате чего наступает биологическая смерть. Если за этот короткий срок провести реанимационные мероприятия, то человека можно спасти.

К нарушению дыхания могут привести самые разное причины, в том числе закупорка дыхательных путей, повреждение грудкой клетки, резкое нарушение газообмена и угнетение дыхательных центров вследствие повреждения голов-ного мозга или отравления. В течение некоторого времени после внезапной ос-тановки дыхания кровообращение еще сохраняется: пульс на сонной артерии

определяется в течение 3-5 мин после последнего вдоха. В случае же внезапной остановки сердца дыхательные движения прекращаются уже через 30-60 с.

Работа , производимая дыхательными мышцами для вентиляции лег-ких , направлена на преодоление всех видов сопротивления . .Следовательно , чем выше сопротивление , тем большую работу выпол-няет дыхательная мускулатура. Потребление кислорода дыхательными мышцами в норме составляет около 3% общего потребления его орга-низмом . Однако при физической нагрузке энергетические потребности дыха-тельных мышц возрастают в большей степени, чем минутный объем дыхания и поглощение О2. В связи с этим при тяжелой физической работе на деятельность дыхательной мускулатуры затрачивается до 20% общего потребления кислоро-да.

Величины легочных объемов и емкостей значительно варьируют. Ко-лебания в норме настолько велики, что целесообразно приводить лишь средние цифровые границы. У взрослых людей максимальная емкость легких со-ставляет 4500 - 6000 мл, из них остаточный объем -- 1000 - 1500 мл, резерв-ный объем выдоха -- 1500 - 2000 мл, дыхательный объем -- 300 - 600 мл, ре-зервный объем вдоха -- 1500 - 2000 мл.

Перемещение воздуха между внешней средой и легкими, т. е. вентиляция легких, осуществляется благодаря разнице давлений во внешней среде и в аль-веолах, при этом воздух всегда перемещается из области с более высоким в об-ласть с более низким давлением. При самостоятельном дыхании во время вдоха усилие дыхательных мышц, преодолевая эластическое сопротивление легких, увеличивает объем грудной клетки и создает необходимую разницу давлений между внешней средой и легкими. При ИВЛ перемещение воздуха (дыхатель-ной смеси) между внешней средой и легкими совершается под действием внешней силы, создающей необходимую разность давлений.

2. Обзор существующих аппаратов

2.1. Способы проведения искусственной вентиляции

Существует два основных способа ИВЛ (искусственной вентиляции легких): способ вдувания и наружный (внешний) способ. При первом спосо-бе ИВЛ осуществляется путем подачи газовой смеси непосредственно в верхние дыхательные пути; при втором -- в результате наружного воздейст-вия на стенки грудной полости: грудную клетку или диафрагму.

ИВЛ наружным (внешним) способом. При этом способе переме-жающееся давление в грудной полости и в легких (и связанное с этим пере-мещение газа между внешней средой и легкими) происходит за счет наруж-ного воздействия на грудную клетку или диафрагму.

Аппараты ИВЛ наружного действия работают на гравитационном или пневматическом принципе. К первым относится «качающаяся кровать», ко вторым -- аппараты типа «железные легкие», аппараты с кирасой и аппара-ты с пневматическими нагрудными поясами.

При ИВЛ с помощью аппарата «качающаяся кровать» больного укла-дывают на спину на кровати, которая качается относительно своей попереч-ной горизонтальной оси. При опускании головного конца кровати содержи-мое брюшной полости своей массой давит на диафрагму, благодаря чему происходит активный выдох. При поднимании головного конца кровати диафрагма опускается, обеспечивая поступление воздуха в легкие. Приме-нение «качающихся кроватей» удобно из-за простоты и доступности обслу-живания больных. Однако, используя данный метод, невозможно обеспе-чить вентиляционные потребности при полном параличе дыхания; кроме то-го, более или менее длительное качание вызывает весьма неприятные ощу-щения у больного.

Аппарат «железные легкие» обеспечивает проведение наружного спо-соба ИВЛ путем создания циклических изменений давления воздуха вокруг всего тела больного, за исключением головы. Аппарат представляет собой герметичную камеру, соединенную с воздушным насосом. Работа насоса обеспечивает периодическое нагнетание или отсасывание воздуха из каме-ры.

Кирасные аппараты применяются для осуществления ИВЛ путем соз-дания циклических изменений давления воздуха вокруг грудной клетки и верхней части живота больного. Принцип их работы тот же, что и «желез-ных легких», но вентиляционный эффект меньше.

Разряжение при вдохе оказывает действие на все тело («железные лег-кие») или на значительную его часть (кирасы), что снижает венозный приток к сердцу. Это является одним из важных недостатков метода. Другими не-достатками являются трудности ухода за больными, невозможность приме-нения аппаратов ИВЛ во время хирургических операций, а также громозд-кость «железных легких».

Аппараты с пневматическими наружными поясами (манжетами) осуще-ствляют ИВЛ путем создания циклических изменений давления воздуха в поясе, накладываемом на грудную клетку или на верхнюю часть живота больного. Такой способ едва ли можно назвать физиологичным, так как при его выполнении для достижения удовлетворительного вентиляционного эф-фекта необходимо нагнетать воздух в пояс под значительным давлением (до 10 кПа) из-за малой поверхности соприкосновения пояса с телом. Однако пневматические манжеты все еще применяются горноспасательной службой ввиду простоты и доступности обслуживания.

Перечисленные недостатки ИВЛ наружным способом в целом и самих аппаратов в частности послужили причиной постепенного отказа от их при-менения.

ИВЛ способом вдувания. При этом способе поступление дыхательного газа в легкие обеспечивается его нагнетанием в легкие до создания в них на вдохе давления, превосходящего давление газа окружающей среды.

ИВЛ способом вдувания можно разделить на два основных вида:

вентиляцию с перемежающимся положительным давлением ( с ак-
тивным вдохом и пассивным выдохом) ;

вентиляцию с перемежающимся положительным-отрицательным дав-
лением ( с активным вдохом и с активным выдохом ) .

Первый вид имеет следующие разновидности:

а) вентиляцию с перемежающимся положительным-нулевым давлени-
ем, при которой пассивный выдох совершается свободно, без задержки, и
легкие пациента спадаются при выдохе до размеров функциональной оста-
точной емкости;

б) вентиляцию с перемежающимся положительным- положительным
давлением, при которой из-за сопротивления пассивному выдоху (или про-
тиводавления) легкие пациента за время выдоха не опорожняются до функ-
циональной остаточной емкости. При этом возникают постоянные по знаку,
но отличающиеся по величине давления в конце вдоха и выдоха;

в) перемежающаяся принудительная вентиляция легких. Сущность это-
го способа состоит в том, что при восстановлении самостоятельного дыха-
ния после длительной ИВЛ больной продолжает дышать спонтанно через
дыхательный контур аппарата ИВЛ. Спонтанное дыхание больного через
аппарат может осуществляться в обычном режиме -- с перепадами давле-
ний'вдоха и выдоха вокруг нулевого (атмосферного) давления, либо по по-
казаниям, в режиме ,так называемого спонтанного дыхания под постоянным
положительным давлением.

Для поддержания гарантированного объема вентиляции аппарат перио-дически включается для проведения одного «принудительного» цикла. Час-

тоту таких включений регулирует врач в зависимости от вентиляционных возможностей больного.

г) синхронизированная перемежающая принудительная ИВЛ, когда «принудительный вдох» аппарата синхронизируется со вдохом больного с помощью триггерного блока. При постепенном увеличении интервалов ме-жду «принудительными» циклами облегчается отвыкание больного от аппа-рата при длительной ИВЛ.

2.2 Состояние перспективы развития аппаратуры ИВЛ

Области применения ИВЛ в медицинской практике в значительной степени установились. Общими показаниями к ее применению остаются необходимость поддержания оптимального газо-вого состава крови и необходимость снижения ра-боты, затрачиваемой пациентом на вентиляцию в условиях ненормально функционирующей дыха-тельной и сердечно-сосудистой систем. Отсюда следует применение ИВЛ для лечения дыхатель-ной недостаточности, обусловленной заболева-ниями различной этиологии, травмами, отравле-ниями, хирургическими вмешательствами на ор-ганах грудной полости, введением мышечных ре-лаксантов и (или) седативных препаратов, а также для борьбы с асфиксией новорожденных и лече-ния пороков их развития. Относительно новым направлением является применение вентиляцион-ной поддержки для борьбы с сонным апноэ. Основным местом применения ИВЛ по-прежнему являются стационарные лечебные учреждения, экстремальная медицина (в более узком смысле -- передвижные средства скорой помощи), родиль-ные дома и отделения. В условиях России в бли-жайшие годы, к сожалению, неперспективно ле-чение с использованием аппаратов ИВЛ на дому; почти не находит распространения и амбулатор-ное использование ИВЛ для лечения так называе-мых респираторных хроников.

Общим принципом осуществления ИВЛ оста-ется метод вдувания газа в верхние дыхательные пути пациента. Внешний метод вентиляции, электростимуляция дыхательных мышц, экстракорпо-ральный газообмен, апнойная вентиляция посто-янным потоком газа и асинхронная вентиляция двух легких не имеют видимых перспектив. Прак-тически перестала применяться ИВЛ с активным выдохом. Более четко определены границы разум-ного использования ИВЛ с частотой, намного превышающей частоту самостоятельного дыхания (высокочастотная -- ВЧ ИВЛ), а именно: во время реконструктивных хирургических вмешательств на верхних дыхательных путях, для обеспечения cинхронизации нуждающихся в ИВЛ пациентов, которые по различным причинам обычными ме-тодами синхронизируются плохо, и для струйной ВЧ ИВЛ через введенную чрескожно в трахею специальную иглу, когда обычная интубация не-возможна. Осцилляторная вентиляция с частотой 1000 в минуту клинического применения не на-шла.

Вместе с тем прослеживаются вполне опреде-ленные тенденции развития частных методик ИВЛ. Основное направление -- переход от наибо-лее часто используемой сейчас управляемой ИВЛ к менее инвазивным методикам. Для них, во-пер-вых, характерны различные сочетания навязывае-мого пациенту режима с самостоятельным дыха-нием; при этом аппарат выполняет не всю, а толь-ко часть работы, затрачиваемой на вентиляцию, и "вклад" управляемой ИВЛ можно постепенно сни-жать. Распространение таких методов обосновы-вает замену самого термина "искусственная венти-ляция легких" на более широкое понятие "венти-ляционная поддержка". Во-вторых, неинвазивным считают присоединение аппарата для интенсив-ной терапии к пациенту с помощью трахеальных трубок, вводимых через нос, или масок, которые обеспечивают непосредственный доступ в верхние дыхательные пути.

Расположить наиболее известные методики вентиляционной поддержки в порядке снижения роли принудительной вентиляции и возрастания роли самостоятельного дыхания можно следую-щим образом:

Управляемая ИВЛ (Conrolled Mechanical Ventilation - CMV).

Управляемая ИВЛ с ограничением давления (Pressure Limited Ventilation - PLV).

Управляемая вентиляция с управлением по давлению (Pressure Controlled Mechanical Ventilation - PCMV

Управляемая вентиляция с управлением по давлению и инверсным отношением длительно-
стей вдоха и выдоха (Pressure Controlled Inverse).

Вспомогательная (триггерная) ИВЛ (Assisted Mechanical Ventilation - AMV).

Поддержка давлением (Pressure Support - PS).

Периодическая (синхронизированная или несинхронизированная) ИВЛ ((Synchronized) Intermittent Mandatory Ventilation - (S) IMV).

Периодическая ИВЛ с автоматическим под-держанием минутной вентиляции (Extended Mandatory Minute Ventilation - EMMV).

Вентиляция с периодическим сбросом по-стоянного давления (Pressure Release Ventilation - PRV).

Двухфазная вентиляция -- самостоятельное дыхания с двумя уровнями повышенного давле-
ния (Biphasic Positive Airway Pressure - BIPAP).

Самостоятельное дыхание с постоянно повышенным давлением (Continuous Positive Pressure Ventilation-CPAP).

К относительно новым возможностям управ-ляемой ИВЛ можно отнести создание задержки на вдохе . ("плато"), а также инверсных отношений длительностей вдоха и выдоха (с более коротким, выдохом), изменение формы скорости вдувания вдыхаемого газа. Сюда же можно включить и модуляцию этой скорости ВЧ-колебаниями, кото-рую можно одновременно считать и прерывистым вариантом ВЧ ИВЛ.

Необходимо подчеркнуть несколько особенностей новых методик. Появление некоторых из них не является результатом планомерной разработки, иногда они обнаружены случайно или же появи-лись по предложению создателей аппаратуры. По-этому не всегда ясен механизм их воздействия, а показания к применению нельзя считать вполне определенными. Хотя постепенное распростране-ние перечисленных методик, несомненно, являет-ся тенденцией развития аппаратов ИВЛ, из-за приведенных особенностей этот процесс требует известной осмотрительности.

Из многообразия показаний и мест примене-ния ИВЛ вытекает необходимость оснащения ле-чебных учреждений достаточно обширной но-менклатурой аппаратов данного назначения, а именно:

1. Для длительного применения в отделениях интенсивной терапии, реанимации, послеопера-ционных палатах и отделениях. В связи с резким различием диапазонов параметров необходимы отдельные модели, предназначенные: а) для взрослых и детей старшего возраста и б) для ново-рожденных и детей в возрасте до 5--6 лет. В каж-дой "возрастной" категории аппаратов находят спрос 2--3 модели, отличающиеся шириной набо-ра функциональных возможностей, диапазоном установки параметров, степенью оснащения средствами мониторинга, дополнительными возмож-ностями, а также стоимостью.

Для применения во время ИА по любому дыхательному контуру и с использованием любых
известных анестетиков. При этом также должна быть обеспечена возможность применения и у
взрослых, и у детей. Функциональные возможно-сти таких аппаратов могут быть значительно суже--
ны, и градация по широте возможностей, по-видимому, не требуется.

Для применения в условиях скорой помощи, экстремальной медицины, при медицинской эва--
куации и др. Здесь на первый план выступают ав-тономность, портативность, возможность использования так называемыми парамедиками. Про-сматриваются две категории аппаратов -- с приводом вручную и с автономным пневмопитанием. Градации по возрасту пациентов также необхо-димы.

В отдельную группу стоит выделить аппара-ты для реализации некоторых специфических ме--
тодик, например ВЧ ИВЛ, бронхоскопии и др.

Количественные характеристики традицион-ных режимов ИВЛ можно считать установивши-мися. Для аппаратов, предназначенных для ин-тенсивной терапии взрослых пациентов, обычно считаются достаточными максимальные значения минутной вентиляции 40--50 л/мин, дыхательного объема 1,5--2 л, частоты вентиляции 60 в минуту. Для применения аппаратов во время анестезии, в экстремальной медицине и для амбулаторного ле-чения требования к этим характеристикам могут быть несколько снижены.

Для аппаратов, предназначенных для новорож-денных.и детей младшего возраста, отметим; тен- денцию к обеспечению вентиляции детей, родив-шихся со значительной степенью недоношенно-сти. Ведущие специалисты-медики России по-разному оценивают верхний предел частоты вентиляции. Трудно не согласиться с мнением, что для частоты более 60--80 в минуту необходима специальная аппаратура. Тем не менее в ряде за-рубежных аппаратов, реализующих традицион-ные методики ИВЛ, можно встретить возмож-ность установки частоты вплоть до 120--150 в ми-нуту.

Практический интерес представляет определе-ние верхнего предела установки минутной венти-ляции и других параметров, зависящих от быстро изменяющихся с возрастом вентиляционных по-требностей ребенка. Большинство изготовителей ориентируются только на две возрастные града-ции: аппарат для взрослых, включая детей стар-шего возраста, и аппарат для новорожденных и детей младшего возраста. В ряде международных стандартов граница проводится не по возрасту, а по массе тела ребенка (15 кг), что более обосно-ванно. Во всяком случае, можно считать, что мак-симальные значения объемных параметров (ми-нутная вентиляция и дыхательный объем) аппара-тов для новорожденных и детей младшего возрас-та должны несколько перекрывать минимальные значения тех же параметров, обеспечиваемых ап-паратами для взрослых, и наоборот.

Верхний предел давления, которое аппараты могут создавать в легких пациента, обычно огра-ничивается значением 60--100 гПа. Максималь-ное значение положительного давления конца

вдоха в подавляющем большинстве случаев со-ставляет 15--20 гПа.

Технические решения современных аппаратов ИВЛ во многом сблизились. В настоящее время применяются 4 схемы для подачи газовой смеси пациенту.

Генератор вдоха постоянного потока с ком-мутирующими устройствами в линиях вдоха и вы-доха, выполненный в виде смесителя сжатого ки-слорода, поступающего извне, и сжатого воздуха.
В большинстве зарубежных аппаратов последний также подается из внешнего источника (аппараты серий "Putitan-Bennet", "Веаг", большинство мо-делей фирм "Bird" “Drager” и др.) или поставляемым отдельно компрессором высокого давления. В отечественных аппаратах воздух подает встроен-ный в аппарат компрессор низкого давления. Та-кая схема позволяет достаточно легко реализовать разнообразные режимы работы и измерять харак-теристики вентиляции. Однако конструктивное осуществление этой схемы довольно сложно, ис-пользование во время ИА затруднено. Примером
такого решения являются аппараты "Спирон-201","Фаза-5" и др.

Генератор вдоха постоянного потока с коммутирующим устройством только в линии выдоха. Здесь через линии вдоха газ течет постоянно, с частотой дыхания перекрывается только линия выдоха, поэтому конструкция таких аппаратов проще, чем по схеме 1. Особенно проста реализа-ция режимов, требующих создания в линии выдо-ха постоянного подпора положительного давления (ПДКВ, самостоятельное дыхание под положи-тельным давлением и др.). Конструктивная форма выполнения генератора вдоха такая же, что и для схемы 1. Постоянный поток газа, через дыхательный контур, с одной стороны позволяет легче, контролировать его величину и подаваёмую ми-нутную вентиляцию, а с другой - вызывает1 повы-шенный расход газовой смеси, затрудняет измере-ние выдыхаемого объема и применение во время ИА. Поэтому данный принцип используется поч-ти исключительно в аппаратах для интенсивной терапии у детей (например, в аппарате "Спиро-Вита-412"), где повышенный расход кислорода незначителен по абсолютной величине.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7