поиск по сайту правообладателям
|
|
|
Глава 5
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТОВ ИВЛ: РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ, РАЗЛИЧНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ФАЗ ДЫХАТЕЛЬНОГО ЦИКЛА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Для обеспечения движения газа в требуемых направлениях в аппаратах ИВЛ используют разнообразные по конструктивному исполнению устройства, назначение которых — пропускать газ только в предписанном направлении. Распределительное устройство может быть выполнено с применением механического, пневматического или электрического привода и без специального привода. Устройства последнего типа самодействующие клапаны имеют самую простую конструкцию (рис. 18, а, б) и пропускают газ только в одном направлении. Действие их ясно без особого разъяснения. Отметим только, что пластинчатые клапаны надежно работают независимо от своего положения, если пластина прижимается к седлу пружиной. Отличительной особенностью мембранного клапана (рис. 18, в) является его необратимость. Если остальные клапаны пропускают газ под действием создаваемого под пластиной давления или же под действием создаваемого над пластиной разрежения, то мембранный клапан пропускает газ при создании давления на его входе или выходе и не пропускает газ, когда в любом из этих патрубков создается разрежение.
18. Простейшие конструкции самодснствующнх клапанов (схема): а — пластинчатый клапан; б — резиновый грибковым клапан; в — мембраннный клапан; г - предохранительный пружинный клапан; д – предохранительный гравитационный клапан; е - характеристики предохранительных клапанов: 1 - «идеального»; 2 - гравитационного; 3 - пружинного: ж – мембранный нереверсивный клапан - положение вдоха; з- мембранный нереверсивный клапан - положение выдоха; ж и з: 1 - патрубок пациента; 2 — патрубок выдоха; 3 — патрубок аппарата.
Разновидностью самодействующих клапанов являются предохранительные клапаны, назначением которых является выпуск части газа под действием давления или разрежения, превысившего заданный уровень. Чаще всего такие клапаны (рис. 18,г,д) ограничивают давление (разрежение) газа в дыхательном контуре или в какой-то другой части пневмосистемы аппарата. Различают регулируемые и нерегулируемые предохранительные клапаны. Характеристики пружинных и гравитационных предохранительных клапанов несколько отличаются друг от друга, к «идеальному» виду ближе характеристика гравитационного клапана (рис. 18, е). К самодействующим клапанам можно отнести также нереверсивные клапаны, предназначенные для распределения потоков газа во время ИВЛ и при самостоятельном дыхании. Конструкции этих клапанов весьма разнообразны, но в выпускаемых в СССР аппаратах преимущественно используется нереверсивный клапан с резиновой мембраной (рис. 18, ж, з). Когда во время вдоха газ поступает пациенту от генератора вдоха, то центральный грибковый клапан открывает отверстия в центральной части эластичной мембраны. В результате возникающего перепада давления мембрана перекрывает седло, предотвращая выход газа наружу через патрубок выдоха. Условием перехода иеревсрсивного клапана в состояние выдоха служит прекращение подачи газа и снижение его давления на входе в клапан до нуля. В этот момент давление газа на стороне пациента закрывает центральные отверстия мембраны. Последняя, прогибаясь, отходит от седла, позволяя газу из легких пациента выходить наружу через патрубок выдоха. Управляемые клапаны приводятся в действие механическим, пневматическим или электрическим сигналом и могут одновременно коммутировать потоки газа в нескольких линиях (рис. 19). С помощью золотниковых распределительных устройств легче осуществить одновременную коммутацию нескольких пневматических линий. Их другое преимущество — независимость работы от разности давления на входе и выходе. Вместе с тем в конструкции золотникового распределительного устройства трудно сочетать требования: снизить утечку и иметь небольшое управляющее воздействие. Типичный пример использования пневматически управляемого клапана — блокировка линии выдоха аппарата во время вдоха. Надежное прижатие эластичной мембраны к седлу достигается за счет того, что давление под мембраной, т.е. в линии вдоха, больше давления в линии выдоха. В связи с распространением электронных схем управления в аппаратах ИВЛ все чаще используются клапаны с электромагнитным управлением.
19. Различные конструкции управляемых клапанов (схема): а, б - с механическим приводом: 1 - вращающийся кулачок; в – пневматически управляемый клапан, предназначенный для перекрытия линии выдоха во время вдоха: 1- пациент; 2 - линия вдоха; 3 - мембрана; 4 - патрубок выдоха, г — клапан с электромагнитным приводом: 1 — неподвижный упор; 2 — эластичная трубка; 3 - магнитопровод; 4 - катушка; 5 – сердечник.
ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ
Распределительное устройство, переводящее аппарат ИВЛ из состояния вдоха в состояние выдоха и обратно, является важнейшим из устройств. Нереверсивный и пневматически управляемый клапаны осуществляют эту функцию под действием генератора вдоха переменного потока, который в этом случае совмещает свою работу с функциями переключающего механизма. В некоторых схемах переключающий механизм является самостоятельным блоком аппарата ИВЛ. Так как во время дыхательного цикла изменяются значения ряда его характеристик — объемов, давлений, скорости потока газа, длительности вдоха и выдоха, то условием переключения фаз дыхательного цикла в принципе может быть выбрано достижение заданного значения любой из этих характеристик. Как будет показано ниже, метод переключения, особенно переключения со вдоха на выдох, сильно влияет на свойства аппарата ИВЛ. Поэтому определение метода переключения аппарата на выдох имеет важное значение при его анализе или синтезе. Структура переключающего механизма должна включать измеритель текущего значения выбранной для переключения характеристики, задатчик требуемой величины, сравнивающее устройство и исполнительный механизм. Поскольку задатчик позволяет независимо устанавливать один из параметров ИВЛ, то необходимо, чтобы регулируемая им характеристика была бы как можно теснее связана с основными параметрами работы — минутной вентиляцией, дыхательным объемом или частотой дыхания. Поэтому метод переключения тесно связан с важным потребительским свойством аппарата — управляемостью (этим термином условимся называть степень удобства настройки аппарата на требуемый режим ИВЛ). Если выбранная для осуществления переключения на выдох характеристика изменится из-за уменьшения проходимости дыхательных путей, изменения растяжимости легких или степени герметичности дыхательного контура, то режим вентиляции отклонится от первоначально установленного, вследствие чего метод переключения будет влиять и на другое важное качество аппарата — стабильность сохранения заданного режима работы при изменениях характеристик системы аппарат — пациент.
Переключение со вдоха на выдох
Рассмотрим перечисленные в главе 4 методы переключения аппарата ИВЛ со вдоха на выдох более подробно. Переключение по давлению происходит вследствие того, что давление газа в определенной точке аппарата достигает заданного значения. Давление переключения, которое в этом случае независимо можно регулировать по шкале или показаниям манометра, с основными параметрами режима ИВЛ связано слабо. Даже опытному врачу, установившему на основании антропометрических данных пациента, его состояния и с помощью специальных номограмм требуемый режим ИВЛ, трудно оценить давление конца вдоха, на которое надо настроить переключающий механизм для подачи требуемого дыхательного объема. При неизменной настройке аппарат с переключением по давлению будет стремиться сохранить постоянным давление переключения, и так как между ним и основными параметрами ИВЛ нет однозначной связи, то дыхательный объем, частота дыхания и минутная вентиляция будут заметно изменяться в тех случаях, когда растяжимость, сопротивление и степень герметичности системы аппарат — пациент будут отклоняться от начальных значений. Большая зависимость режима работы аппарата с переключением по давлению от характеристик системы аппарат — пациент может иметь и определенный положительный эффект. Хорошо различимое на слух изменение частоты дыхания позволяет обратить внимание на нарушение проходимости дыхательных путей, нарушение герметичности присоединения пациента, восстановление его самостоятельного дыхания. Более весомы преимущества переключения со вдоха на выдох подавлению вовремя проведения вспомогательной вентиляции, поскольку тогда пациент в известной степени может сам определить величину дыхательного объема. Для переключения по давлению до недавнего времени обычно использовался простой рычажный механизм с настройкой на заданную величину давления путем изменения натяжения пружины или положения постоянного магнита. В новых аппаратах ИВЛ с электронным управлением для контроля давления дыхательного цикла вырабатывается электрический сигнал, пропорциональный текущему значению давления. Если предусмотреть возможность коммутации потоков газа, когда электрическое отображение давления станет равным заданной величине, то будет обеспечено ограничение максимального давления вдоха, что эквивалентно действию предохранительного клапана, и переключение со вдоха на выдох по давлению. Сопоставление преимуществ и недостатков переключения со вдоха на выдох по давлению хорошо обосновывает тот факт, что в настоящее время такой способ используется редко, главным образом для осуществления вспомогательной вентиляции (РД-1, «Практивент-320», ряд моделей аппарата «Бирд», «Ингалог» и «Ассистор» фирмы «Дрегер» и др.), как дополнительный метод переключения в аппаратах с электрическим управлением «Спирон-101», «Спирон-201», «Спирон-401» (СССР), «Сервовентилятор-900», «Универсальный вентилятор UV-1» и др. и в некоторых простейших и малогабаритных моделях (ДП-9, «Минивент», «Циклатор»). Переключение по объему происходит вследствие подачи аппаратом заданного дыхательного объема; необходимую величину этого параметра ИВЛ обычно можно независимо от установки других параметров установить по шкале. Типичным примером задания дыхательного объема является управление амплитудой движения крышки меха. Этот способ применяется в отечественных аппаратах РО-2, РО-5, РО-6, РД-4; в зарубежных — РПР, «Унивент-100», «Беннет» и др. Для создания управляющего воздействия на распределительное устройство применяют рычажные механизмы; пневматические реле, вырабатывающие сигналы по прохождении крышкой меха заданного хода; электроконтактные или бесконтактные концевые выключатели и т.п. Аппараты с переключением по объему более легко управляются по сравнению с аппаратами с переключением по давлению. Однако по ряду причин, главной из которых является негерметичность присоединения пациента, выходящий из аппарата объем газа отличается от действительного. Попытки реализовать переключение по объему, вентилирующему легкие пациента, пока не реализованы. Аппарат «Пневмотрон-80» [Сох L., Chapman E.А., 1974] рекламируется как модель с принципиально новым способом переключения по объему. В нем дыхательный объем измеряется в линии вдоха и в линии выдоха, но для переключения на выдох используется информация с линии вдоха, т.е. переключение по действительному объему не осуществлено. Переключение по времени в настоящее время применяется наиболее часто, поскольку современными средствами пневмоавтоматики и особенно электроники сравнительно просто решается проблема задания требуемых интервалов времени. При этом установленная длительность определенной части дыхательного цикла или цикла в целом определяется только самим механизмом, и никакие изменения характеристик системы пациент — аппарат повлиять на него не могут. То же устройство переключения можно использовать для управления длительностью задержки на вдохе, длительностью ожидания попытки пациента во время вспомогательной вентиляции и т.п. Сравнительно легко организовать более сложное, комбинированное управление временными характеристиками; например, обеспечить регулировку не длительностей вдоха и выдоха, а частоты дыхания, регулировать отношение продолжительностей вдоха и выдоха или длительность задержки на вдохе без влияния на установленную частоту дыхания. Аппаратами с переключением со вдоха на выдох являются отечественные модели «Спирон», «Фаза», «Лада», «Пневмат-1» и зарубежные «Спиромат-650», «Универсальный вентилятор UV-1», «Сервовентилятор-900», «Энг-стрсм-2000», «Энгстрем-Эрика» и др. К аппаратам с переключением по времени следует отнести и те, в которых используется генератор вдоха переменного потока, поскольку переключение на выдох и здесь осуществляется строго по истечении времени, отведенного механическим приводом на сжатие меха, перемещение поршня или мембраны. Подобной схемой обладают отечественные аппараты ДП-8 и АНД-2, зарубежные аппараты «Энгстрем-150, -200, -300» и др. Переключение по потоку основано на том, что перевод распределительного устройства из состояния вдоха в состояние выдоха происходит тогда, когда скорость вдувания достигает заданного значения. Метод осуществляется очень редко. Настройка заданной скорости вдувания связана с основными параметрами ИВЛ весьма неявно, а на скорость вдувания оказывают влияние все характеристики системы аппарат — пациент, и, следовательно, высокой стабильности работы такого аппарата ожидать нельзя. Переключение со вдоха на выдох вручную осуществляется, естественно, во всех моделях с ручным приводом. В аппаратах «Спнрон-501», «Огайо» ввиду кратковременности применения и желания предельно упростить устройство переключение вручную сочетается с пневматическим приводом. В других аппаратах типа «Спирон» переключение вручную используется как вспомогательный метод управления.
20. Аппарат со смешанным переключением (схема): 1 — электродвигатель; 2 — редуктор с регулятором частоты вращения; 3 — кулачок; 4 — рычаг; 5 — подвижная точка опоры рычага; 6 — регулятор дыхательного объема; 7 — мембрана; 8 — клапан ндоха; 0 — впускной клапан.
Смешанное переключение — так принято называть переключение, происходящее вследствие достижения пороговых, заданных значений двумя параметрами дыхательного цикла одновременно. На рис. 20 приведена типичная схема, используемая в выпускаемой в нашей стране модели аппарата «Вита-1», зарубежных аппаратах «Кейп-вентилятор», «Беинет БА-4» и др. Такая схема обеспечивает простое управление, поскольку здесь непосредственно и независимо друг от друга устанавливается частота дыхания (с помощью редуктора 2) и ход мембраны 7, т.е. дыхательный объем, путем перемещения точки опоры 5 рычага 4. Стабильность работы аппаратов с данным способом управления сохраняет достоинства переключения по объему и переключения по времени. Относительно малое распространение смешанного переключения объясняется сложностью производства механических узлов, которые одновременно препятствуют реализации гибкого управления временными характеристиками дыхательного цикла, включая вспомогательную вентиляцию, периодическую принудительную вентиляцию и т.п. Комбинированное переключение основано на том, что в аппаратах ИВЛ может быть предусмотрено несколько самостоятельно действующих механизмов; при этом в каждом конкретном дыхательном цикле переключение на выдох вызывает один какой-либо механизм по выбору оператора. Такой способ переключения применен в аппарате «Хилмэн-Рисерч», который можно настроить на переключение по времени, по объему или по давлению. Управляемость и стабильность аппаратов с подобным управлением определяется тем видом переключения, который установлен в нем в данный момент.
Количественное сравнение стабильности различных способов переключения со вдоха на выдох.
Различные модели аппаратов ИВЛ можно и нужно сопоставлять и рассматривать с различных точек зрения, применяя качественные методы оценки. Количественное сравнение ввиду разнообразия конструкций аппаратов более затруднительно, хотя может дать более объективную информацию. Нами разработан аналитический метод количественной оценки различных методов переключения со вдоха на выдох (по давлению, объему и времени) [Гальперин Ю.С., 1971]. Он основан на следующих предпосылках: — характеристики системы отклоняются от начальных четырьмя различными способами (табл. 5).
Таблица 5 Характеристики системы аппарат — пациент, принятые для количественной оценки способов переключения со вдоха на выдох
Примечание. Сопротивление псгерметичности системы, равное 30 кПа*с/л эквивалентно утечке 6 л/мнн при давлении 3 кПа (30 см вод.ст.), а значени 7,5 кПа*с/л получено добавлением утечки 18 л/мин при том же давлении.
— характеристики генераторов вдоха всех аппаратов приняты одинаковыми: максимальное давление 10 кПа (100 см вод.ст.), внутреннее сопротивление 10 кПа*с/л; — в начальных условиях (см. режим 1 в табл. 5) аппараты настроены на осуществление вентиляции с параметрами: дыхательный объем Vт=0,67 л, частота дыхания f=l6,7 мин-1, отношение ТI/ТE=1 : 2; — для каждого принципа переключения вдох происходит до тех пор, пока параметр, определяющий переключение, не достигает заданного значения, рассчитанного на основе математического описания системы с указанными выше характеристиками. Режим 1 — начальный. Режимы 2 и 3 характеризуются соответственно повышением сопротивления и снижением растяжимости. В режиме 4 действуют оба этих фактора. Режим 5 отличается от начального резким увеличением негерметичности. Для каждого из способов переключения и для каждого режима рассчитывались действительные значения дыхательного объема Vt, минутной вентиляции Vмин и частоты дыхания f. В качестве меры оценки способа переключения принималась сумма абсолютных процентных отклонений действительных величин от их начальных значений. Приведенные в табл. 6 результаты математического моделирования «поведения» системы показывают, что в случае объемного способа переключения изменения С и R не влияют на дыхательный объем, а при переключении по времени — на частоту дыхания. Естественно, что появление утечки, не воздействуя на частоту, снижает дыхательный объем и, следовательно, минутную вентиляцию в обоих способах переключения. Из-за увеличения нагрузки на генератор вдоха по сравнению с начальной в режимах 2, 3 и 4 уменьшается скорость вдувания, что для объемного способа ведет к некоторому снижению частоты и поэтому минутной вентиляции, а для переключения по времени — к снижению дыхательного объема и к уменьшению минутной вентиляции. Возникновение утечки в общем снижает нагрузку на генератор вдоха, однако при принятых в расчете характеристиках генератора на режиме вентиляции это практически не сказывается. В случае переключения по давлению при изменении характеристик системы сохраняется только давление на выходе аппарата. При возрастании нагрузки это давление достигает установленного значения переключения при меньшем дыхательном объеме быстрее, что эквивалентно увеличению частоты. Взаимная компенсация этих изменений все же недостаточна для того, чтобы минутная вентиляция оставалась неизменной. Возникновение утечки снижает противодавление, действующее на генератор вдоха, поэтому, как это ни парадоксально, происходит увели чение дыхательного объема и почти в такой же степени уменьшается частота. Это подтверждает существующее мнение об «автоматической» компенсации аппаратами с переключением по давлению изменений характеристик системы. Однако в целом эта компенсация значительно слабее, чем стабильность аппаратов с переключением по объему и времени. Таблица 6 Сравнение стабильности аппаратов ИВЛ с различными способами переключения со вдоха на выдох
Следует отметить, что предлагаемый метод оценки стабильности ограничивается принятыми допущениями, но все же достаточно обосновано показывает значительно меньшую стабильность аппаратов с переключением по давлению и некоторое преимущество аппаратов с переключением по объему. Методика и результаты расчета были подтверждены путем сопоставления с экспериментальными данными о влиянии изменения характеристик системы аппарат — пациент на отклонение действительных значений параметров ИВЛ от начальных значений.
Переключение с выдоха на вдох
Переключение с выдоха на вдох имеет существенные отличия от рассмотренного выше переключения с вдоха на выдох. Прежде всего необходимо выделить переключение, происходящее вследствие дыхательного усилия пациента, которое реализуется для синхронизации работы аппарата ИВЛ с неадекватным самостоятельным дыханием. Условием срабатывания переключающего механизма и здесь служит достижение заданного, порогового значения определенной физической характеристикой, изменяющейся во время попытки пациента вдохнуть. Для осуществления вспомогательной, т.е. синхронизированной, ИВЛ были предложены различные способы распознавания дыхательного усилия пациента — изменение электрической активности дыхательной мускулатуры и диафрагмы, создание пациентом определенной объемной скорости движения газа, вдыхание определенного объема газа. Однако почти исключительное применение в современных аппаратах для осуществления вспомогательной ИВЛ находит распознавание дыхательного усилия по созданному им разрежению в дыхательном контуре. Только в аппарате «Энгстрем-Эрика» применено измерение объемной скорости вдыхаемого пациентом газа. Переключение аппарата на вдох вследствие дыхательного усилия пациента рассмотрим более подробно. Вначале отметим, что дыхательное усилие («попытка») пациента, в принципе, может возникнуть, когда в конце выдоха имеется не только нулевое (пассивный выдох), но и отрицательное (активный выдох) или положительное давление. Поэтому дыхательное усилие пациента правильнее характеризовать создаваемым им перепадом давления, а не разрежением. В настоящее время разработаны три показателя, количественно характеризующие дыхательное усилие пациента (см. рис. 9): чувствительность системы, задержка времени, объем газа. Чувствительностью системы обычно называют разрежение (или перепад давления), необходимое для переключения на вдох, причем меньший перепад давления соответствует большей чувствительности. Эта величина обычно может регулироваться в пределах от 0,02 — 0,05 кПа (2 — 5 мм вод.ст.) до 0,4 — 0,7 кПа (40 — 70 мм вод.ст.). Перепад давления менее 50 Па пациент практически не ощущает. Однако настройка аппарата на столь высокую чувствительность не всегда пригодна, так как при такой настройке аппарат может переключиться на вдох из-за случайного касания дыхательных шлангов, малейшего движения пациента и даже от открывания двери помещения. Задержка времени между достижением заданной величины перепада давления или другого параметра, вызывающего переключение, и началом поступления газа в легкие пациента должна быть возможно меньшей; эксперименты показали, что задержка более 0,1 с уже вызывает субъективно неприятные ощущения. Отсюда следует, с одной стороны, необходимость быстродействия переключающего механизма, а с другой — создание всех условий для быстрейшего достижения порогового значения, что требует надежной герметизации и возможно меньшей растяжимости той части дыхательного контура, в которой перепад давления создается дыхательным усилием пациента. Объем газа, который пациент должен вдохнуть, прежде чем начнется вдувание газа, должен быть возможно меньшим. В настоящее время в качестве удовлетворительного значения используется величина 2 мл. Этот критерий тесно связан с чувствительностью по давлению, поскольку, чтобы создать в системе определенный перепад давления, из нее нужно забрать соответствующий объем газа. Например, если внутренняя растяжимость полностью герметичного дыхательного контура равна 0,04 л/кПа, то для получения разрежения 50 на необходим объем дыхательного усилия 2 мл. Может также приниматься в расчет и скорость, с которой создается пороговое значение переключения. Эта характеристика наименее изучена, и количественных рекомендаций по ней еще дать нельзя. Во время управляемой ИВЛ переключение на вдох по объемному принципу не применяется. Из-за физиологически обусловленного неравенства вдыхаемого и выдыхаемого объемов, различия их физических характеристик и газового состава переключение со вдоха на выдох и с выдоха на вдох по объему приводило бы к недопустимому изменению функциональной остаточной емкости легких. Поскольку для перевода аппарата из состояния вдоха в состояние выдоха и обратно технически проще применять один и тот же переключающий механизм, то в моделях с переключением на выдох по давлению часто используют тот же принцип переключения на вдох. Но и здесь возможны определенные трудности, особенно если активная часть вдоха не предусмотрена. По этим соображениям в настоящее время преимущественное распространение получило переключение с выдоха на вдох вследствие истечения заданного промежутка времени. В чистом виде оно реализуется, когда в аппарате имеется устройство, задающее длительность выдоха в секундах или же частоту дыхания и отношение продолжительностей вдоха и выдоха. В аппаратах с переключением на выдох по объему, содержащих разделительную емкость, переключение на вдох часто определяется продолжительностью заполнения мешка, меха или мембранного рабочего органа новой порцией газа (РО-2, РО-5, РО-6, РД-4), а иногда непосредственно времязадающим устройством. Необходимо отметить существенно меньшее влияние на стабильность способа переключения с выдоха на вдох. Во время вспомогательной вентиляции режим работы вообще полностью определяется частотой дыхательных усилий пациента. Во время управляемой ИВЛ по тем же причинам, которые были рассмотрены выше, стабильность будет низкой при переключении на вдох подавлению. Поскольку этот метод используется крайне редко, а переключение по дыхательному объему не используется вообще, то переключение на вдох по времени сопоставлять практически не с чем. Аналогичная ситуация возникает и при оценке управляемости аппаратов ИВЛ с различными способами переключения на вдох. Переключение по времени позволяет прямо или косвенно регулировать длительность выдоха, а задание конечного давления (как правило, разрежения) выдоха с установкой основных параметров вентиляции связано очень слабо. Переключение вследствие дыхательной попытки пациента, т.е. осуществление вспомогательной ИВЛ, вызывает необходимость управления, по крайней мере чувствительностью.
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||