Принцип работы аппаратов ИВЛ
В этой статье мы рассмотрим основные принципы работы аппаратов искусственной вентиляции легких (ИВЛ) в терминологии систем управления, датчиков и микроконтроллеров. Затем мы рассмотрим блок-схему стандартного аппарата ИВЛ более подробно. Обратите внимание, что эта статья предназначена для изучения конструкции аппаратов ИВЛ с технической точки зрения и не представляет медицинское объяснение использования и эксплуатации таких устройств.
ИВЛ – это система управления, в которой на выходе присутствует поток обогащенного кислородом воздуха с определенными характеристиками. Аппарат ИВЛ – это аппарат, который помогает пациенту дышать во время операции или в ситуациях, когда он не может дышать самостоятельно из-за тяжелой болезни. Аппарата ИВЛ представляет собой относительно сложную систему, в которой используются несколько клапанов и датчиков вместе с процессором для реализации необходимых алгоритмов управления.
Стандартная система вентиляции легких состоит из трех основных подсистем:
- «Система подачи вдоха» отвечает за выработку и обработку обогащенного кислородом воздуха, который направляется в легкие пациента
- «Путь выдоха», который обеспечивает подходящий путь для выдоха
- Микроконтроллер используется для управления работой всей системы на основе информации, полученной от различных датчиков, и параметров, которые задает врач
Вы можете увидеть основные операции аппарата ИВЛ, показанные на следующем рисунке.
Как показано на рисунке, вентилятор подключен к источникам сжатого воздуха и кислорода. Используя эти запасы газа, путь вдоха генерирует поток обогащенного кислородом воздуха. Некоторые параметры подаваемого воздуха, такие как давление, объем, расход и процентное содержание кислорода, представляют интерес и должны контролироваться системой. Аппарат ИВЛ, изображенный на этом рисунке, обычно называют вентилятором с положительным давлением, поскольку он подает вдыхаемый воздух с давлением, превышающим атмосферное давление (положительное давление), для выталкивания воздуха в дыхательные пути пациента.
Напротив, вентилятор с отрицательным давлением создает поток вдоха, создавая отрицательное давление на грудь пациента. Вентиляторы с отрицательным давлением имеют несколько ограничений и не так распространены в наши дни.
Аппараты ИВЛ имеют различные режимы работы, такие как вентиляция с контролем объема, вентиляция с контролем давления и т. д. В зависимости от выбранного режима работы, вентилятор должен иметь возможность подавать вдыхаемый воздух с давлением, объемом или волнами потока, соответствующими некоторым заранее заданным желаемым осциллограмм.
Например, на следующем рисунке показаны сигналы давления и потока для режима работы с контролируемым давлением, когда аппарат ИВЛ поддерживает давление дыхательных путей пациента на заданном уровне в течение всей продолжительности вдоха. Следует отметить, что на практике система может быть не в состоянии точно следовать этим желательным сигналам из-за различных неидеальностей системы и источников шума.
Примерные формы сигналов, изображенные на приведенном выше рисунке, соответствуют относительно простому режиму работы, при котором аппарат ИВЛ работает независимо от дыхательной реакции пациента. На самом деле нам нужны более сложные взаимодействия между аппаратом ИВЛ и пациентом.
В случае, если пациент начинает дыхание, сложный аппарат ИВЛ сможет синхронизировать свою работу с этим изменением. С точки зрения реализации, это требует более сложных алгоритмов для управления клапанами в системе, а также контура управления с быстрым переходным процессом. Это может быть одним из ключевых различий между сложным аппаратом ИВЛ и более простым.
Блок-схема стандартного аппарата ИВЛ показана на следующем рисунке.
Зеленые блоки на рисунке 3 соответствуют «Системе подачи потока вдоха» на первом рисунке. Этот путь связан с регулируемыми источниками воздуха и кислорода. Вентиляторы также могут иметь внутренние регуляторы (не показаны на рисунке). Эти внутренние регуляторы используются для снижения давления газа, создаваемого источником воздуха и кислорода, до более низкого уровня, подходящего для вентилятора.
Источники воздуха и кислорода подключены к клапанам и датчикам потока. Микроконтроллер контролирует выходной сигнал датчиков потока и соответствующим образом контролирует клапаны. Таким образом, вентилятор производит обогащенный кислородом воздух с определенной концентрацией кислорода и направляет его в «Бак». Во время вдоха вентилятор открывает «клапан вдоха» и закрывает «клапан выдоха». «Клапан вдоха» управляется таким образом, что пациент получает вдохи в соответствии с желаемыми предварительно определенными формами сигналов.
Как видите, ключевым фактором является настройка клапанов таким образом, чтобы различные параметры системы (например, концентрация кислорода, расход и давление) соответствовали спецификациям. Чтобы достичь этого, мы можем использовать стратегии разработки контроллера, такие как метод ПИД-управления. На рисунке показан контур управления для регулировки воздушных и кислородных клапанов.
Во время выдоха вентилятор открывает «клапан выдоха» и закрывает «клапан вдоха». Выдыхаемый воздух проходит через «Датчик потока» и «Механизм регулировки PEEP», где PEEP обозначает положительное давление в конце выдоха. Выходной сигнал датчика потока контролируется микроконтроллером для достижения сложных взаимодействий между вентилятором и пациентом, которые обсуждались выше.
PEEP – это положительное давление в легких, которое существует в конце выдоха (под «положительным» мы подразумеваем, что давление больше атмосферного давления). С примерами сигналов, изображенных на втором рисунке, давление на выходе равно нулю (PEEP равно нулю); однако иногда мы предпочитаем поддерживать давление в дыхательных путях выше атмосферного уровня во время выдоха (ненулевой PEEP). Это удерживает легкие пациента от разрушения.
Есть несколько способов создать ненулевой PEEP. Эффективный метод – просто установить клапан с электронным управлением на пути выдоха. Это динамическое сопротивление частично перекрывает путь выдыхаемого воздуха, так что давление в дыхательных путях остается на желаемом уровне. На следующем рисунке показана структура такого клапана.
В дополнение к блокам, которые мы обсуждали до сих пор, аппарату ИВЛ нужны еще несколько устройств. Датчик давления и датчик CO2 необходимы для контроля дыхательных путей и обеспечения пациента сложными выходными сигналами и функциями. Кроме того, поскольку влага источников сжатого газа удаляется, нам необходим увлажнитель для добавления влаги в обогащенный кислородом воздух, который доставляется пациенту (увлажнитель не показан на нашей блок-схеме). Кроме того, аппарат ИВЛ должен иметь графический дисплей для отображения соответствующих настроек, измерений, расчетов и сигналов тревоги.
Аппарат ИВЛ – это относительно сложная система, в которой используются несколько клапанов и датчиков, а также процессор для реализации необходимых алгоритмов управления. В зависимости от выбранного режима работы аппарата ИВЛ должен обеспечивать подачу вдыхаемого воздуха с сигналами давления, объема или потока, соответствующими некоторым заранее заданным желательным сигналам. Следовательно, аппарат ИВЛ – это система управления, в которой выходной поток представляет собой поток обогащенного кислородом воздуха с определенными характеристиками.
© digitrode.ru