автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Метод и биотехническая система для адаптивной искусственной вентиляции легких

Введение.

Глава I. Проблемы адаптивной искусственной вентиляции легких.

1.1. Физиологические аспекты внешнего дыхания.

1.2. Системы и аппараты для искусственной вентиляции легких.

1.3. К вопросу о моделировании состояния системы внешнего дыхания пациента.

1.4. Вопросы автоматизации режима искусственной вентиляции легких.

1.5. Постановка задач исследования.

Глава II. Метод и система адаптивной искусственной вентиляции.

2.1. Структура биотехнической системы для адаптивной искусственной вентиляции легких.

2.2. Математическая модель процесса внешнего дыхания при ИВЛ

2.3. Алгоритм адаптивного управления параметрами ИВЛ.

2.4. Оценка устойчивости системы.

Выводы.

Глава III. Метрологическое обеспечение ИВЛ.

3.1. Источники погрешности мониторинга физического состояния пациента

3.2. Оценка погрешности измерительного канала.

3.3. Оценка погрешности канала управления исполнительными устройствами

Выводы.

Глава IV. Разработка системы АИВЛ и ее экспериментальное исследование

4.1. Система ИВЛ с адаптивным управлением.

4.2. Структура программного комплекса.

4.3. Разработка и исследование БТИВС АИВЛ.

4.4. Результаты экспериментальных исследований.

Выводы.

Основные результаты диссертации.

Актуальность темы. Большинство современных аппаратов и систем для искусственной вентиляции легких (ИВЛ) работают в режиме принудительной вентиляции пациента. Его легкие в течение заданного времени периодически «раздуваются» газовой смесью с заданными параметрами. При такой вентиляции с продолжительностью более 20 минут в тканях легких пациента, как правило, появляются механические повреждения, которые становятся причиной серьезных нарушений дыхания. К сожалению, сегодня отсутствуют системы, обеспечивающие адаптивную ИВЛ, при которой параметры вентиляции изменялись бы адекватно изменению состояния пациента, в них отсутствует обратная связь. Программное управление существующих систем ИВЛ не учитывает того, что организм человека представляет собой сложную, биологическую систему, параметры которой изменяются непрерывно и нелинейно. Использование адаптивной ИВЛ позволило бы снизить негативное, влияние принудительной вентиляции, повысит эффективность анестезии и реанимации.

Однако реализация метода и систем адаптивной вентиляции легких сегодня осложняется наличием ряда проблем.

Во-первых, для организации обратной связи в целях адаптивного управления необходимо знать, какие параметры дыхания пациента наиболее полно характеризуют состояние системы дыхания и эффективность ее работы. Возникает потребность в изучении взаимосвязей между параметрами внешнего дыхания и параметрами, которые характеризуют процесс газообмена, а в результате и оксигенацию крови в капиллярах легких. Все это вызывает необходимость в разработке математической модели, которая полно отражала бы газодинамические, биомеханические процессы и процессы газообмена, протекающие при дыхании.

Во-вторых, для реализации адаптивной вентиляции легких требуется синтезировать такую структуру биотехнической системы, которая учитывала бы наличие существующих приемов и режимов вентиляции легких, а так же обеспечивала бы необходимую надежность и безопасность работы всей системы при появлении в ее работе сбоя и ошибок в целях без опасности жизни пациента.

В-третьих, разрабатывая систему адаптивной вентиляции, необходимо знать каким образом будет организовано адаптивное управление системы, и какие этапы в нее должны быть включены. Это означает потребность в разработке метода адаптивной вентиляции. Он должен быть описан некоторым алгоритмом, который будет заложен в основу работы всей системы адаптивной ИВЛ.

Так как дыхание - жизненно важная функция организма, то система,, реализующая адаптивное управление параметрами дыхания должна обладать необходимой надежностью и устойчивостью работы. Это вызывает потреб-. ность в изучении факторов, влияющих на точность адаптивного управления и надежность работы системы, и разработке критериев, по которым можно бы оценивать устойчивость работы синтезируемой системы адаптивной ИВЛ.

Перечисленные проблемы составляют основу разработки компонентов инструментального, методического, информационного, метрологического и программно-алгоритмического обеспечения биотехнической системы адаптивной ИВЛ.

Целью данной работы является разработка метода и системы для адаптивной вентиляции легких, обеспечивающие вентиляцию легких с учетом изменяющегося физиологического состояния системы дыхания пациента.

9 Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- дать медико-техническое обоснование ИВЛ адаптивной, за счет использования контура управления на основе регистрации параметров внешнего дыхания;

- разработать метод адаптивной ИВЛ, обеспечивающий вентиляцию легких с учетом изменяющегося состояния пациента;

- произвести проектирование биотехнической системы для ИВЛ с адаптивным управлением по динамике параметров дыхания пациента;

- разработать интегральный критерий устойчивости работы системы адаптивной ИВЛ;

- создать программно-алгоритмическое обеспечение для реализации адаптивного управления по параметрам внешнего дыхания;

- провести экспериментальную апробацию предложенного метода, алгоритмов работы и системы адаптивной ИВЛ.

Объектом исследования являются система искусственной и вспомогательной вентиляции легких, предназначенная для использования в стационарных условиях в отделениях реаниматологии, анестезиологии и интенсивной терапии.

Предметом исследования является инструментальное, методическое и программно-алгоритмическое обеспечения системы, реализующие адаптивный режим управления ИВЛ.

Методы исследования. Исследование базируется на теории системного анализа и биотехнических систем, методологии моделирования физиологических систем организма, технологиях исследования метрологических характеристик измерительных устройств, методах оптимального анализа.

Новые научные результаты.

Автором получены следующие научные результаты:

1. Метод искусственной вентиляции легких с адаптивным управлением по параметрам внешнего дыхания, учитывающий динамику изменения концентрации кислорода на вдохе и выдохе, иллюминации углекислого газа и характер изменения параметров внешнего дыхания.

2. Биотехническая система адаптивной ИВЛ, обеспечивающая вентиляцию легких с учетом изменения состояния пациента в процессе вентиляции.

3. Алгоритм адаптивной ИВЛ, обеспечивающий лечебный процесс адекватный состоянию пациента.

4. Результаты исследования разрешающей способности и потоков информации в измерительном и управляющем контурах биотехнической измерительно-вычислительной системы (БТИВС);

5. Критерий устойчивости работы биотехнической измерительно-вычислительной системы для адаптивной искусственной вентиляции легких (БТИВС АИВЛ), основанный на учете потоков информации в измерительной и управляющей контурах системы.

Практическую ценность работы составляют:

1. Структура БТИВС ИВЛ с адаптивным управлением;

2. Аналитические соотношения для оценки потоков измерительной и управляющей информации;

3. Программные средства для измерения, обработки и управления параметрами внешнего дыхания;

4. Результаты экспериментального исследования режимов адаптивного управления искусственной вентиляцией легких.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика адаптивной искусственной вентиляции легких при непрерывно изменяющемся состоянии пациента должна основываться на учете динамики концентрации кислорода и на вдохе и выдохе, иллюминации углекислого газа, характера изменения частоты вдоха/выдоха, парциального давления кислорода, объемной скорости вентиляции и давления формируемой дыхательной смеси. Дополнительно можно учитывать характер изменения напряжения кислорода и углекислого газа в венозной и артериальной крови.

2. Система для адаптивной ИВЛ должна содержать: измерительный модуль для учета динамики параметров внешнего дыхания пациента; блок обработки сигналов и формирования сигналов управления; аппарат ИВЛ; два контура управления, один из которых охватывает врача-анестезиолога и используется для задания необходимого режима вентиляции и его параметров, а второй контур - для адаптивного управления ИВЛ; программный комплекс, обеспечивающий мониторинг состояния пациента и требуемую надежность работы системы как в случае ухудшения состояния пациента, так и появления сбоев в работе всей системы.

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 - 2005 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).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 научных работ, из них - 4 статьи, тезисы к 11-ти докладам на международных и российских научно-технических конференциях и симпозиумах.

В первой главе диссертации приводится обоснование использования адаптивной вентиляции легких и разработки систем для ее обеспечения.

Анализ процесса дыхания показал зависимость его эффективности от физиологического состояния человека. Длительная принудительная вентиляция легких (более 20 минут) вызывает деструктивные изменения в легких и негативно отражается на здоровье пациента. Следовательно, процесс вентиляции легких должен быть таким, чтобы параметры вентиляции изменялись с учетом непрерывного изменения текущего состояния человека.

Исследование структур и характеристик существующих аппаратов и систем ИВЛ выявило, что, несмотря на их оснащенность устройствами для мониторного контроля и измерения показателей вентиляции и состояния пациента, они представляют собой системы, работающие в жестком режиме. В таких системах необходимый режим ИВЛ задается в результате последовательного подбора параметров вентиляции, что требует значительного времени.

Известные математические модели процесса внешнего дыхания человека учитывают только одну из сторон этого сложного процесса. В результате анализа стало очевидным необходимость создания модели, комплексно учитывающей все этапы и процессы внешнего дыхания.

Выявление существующих проблем разработки систем адаптивной ИВЛ позволило сформулировать задачи исследования.

Во второй главе предложена структура биотехнической системы БТС АИВЛ, обеспечивающая адаптивную вентиляцию легких пациента. В БТС АИВЛ следует выделить два контура управления. Главный контур управления охватывает врача-анестезиолога и используется для выбора режима работы системы, задания параметров вентиляции и контроля состояния пациента и работы системы. Локальный контур управления позволяет в рамках выбранного режима работы БТС по сигналам блока обработки, поступающим в БУ управлять параметрами вентиляции адекватно изменяющемуся состоянию пациента. Именно этот контур и предназначен для обеспечения адаптивной ИВЛ.

Для реализации адаптивной вентиляции и формирования газовой смеси с требуемыми параметрами необходимо знать, каким образом взаимосвязаны и изменяются параметры внешнего дыхания и параметры газообмена. С этой целью нами была предложена модифицированная модель дыхания пациента. В нее включены системы моделей внешнего дыхания, газодинамики, биомеханики дыхания и газообмена.

Знание зависимостей между параметрами формируемого газового потока и параметрами функционирования системы дыхания пациента позволяют предложить метод вентиляции легких пациента, в процессе которого параметры формируемого газового потока будут медленно изменяться с учетом эффективности работы системы дыхания пациента. Для реализации данного метода был предложен алгоритм адаптивной ИВЛ.

При разработке метода и системы адаптивной ИВЛ возникает проблема обеспечения устойчивости работы системы БТС АИВЛ. Известные методы оценки устойчивости систем, используемые в теории систем автоматического управления не пригодны, так как состояние объекта управления (пациента) непрерывно изменяется в процессе вентиляции. Разработанный нами информационный критерий устойчивости управления адаптивной вентиляцией основан на том, что система АИВЛ содержит измерительный канал, обеспечивающий оценку параметров дыхания и оксигенации, и канал управления, обеспечивающий изменение параметров формируемой газовой смеси. Суть информационного критерия - невозможно объективно и достоверно управлять процессом, не обладая для этого соответствующей информацией.

Третья глава диссертации посвящена аспектам метрологического обеспечения системы АИВЛ. В процессе работы системы вносятся различные погрешности и ошибки ее элементами. С целью исследования эффективности работы системы был проведен анализ источников погрешности и ошибок, которые появляются на всех этапах съема, обработки, формирования управляющих сигналов и адаптивного управления параметрами вентиляции, были выделены источники инструментальных и методических погрешностей.

В четвертой главе диссертации проведена разработка системы адаптивной ИВЛ, предложена структурная программного комплекса, представлены результаты экспериментальных исследований

Результаты экспериментальных исследований подтвердили целесообразность использования адаптивной ИВЛ, применение в системе двухкон-турного управления, работоспособность предложенного метода и алгоритма.

ВЫВОДЫ

Для реализации адаптивной ИВЛ необходимо оценивать параметры внешнего дыхания (динамику концентрации кислорода на вдохе и выдохе и иллюминацию углекислого газа) и оксигенации пациента и управлять параметрами формируемой смеси (концентрацией кислорода в формируемой смеси, скоростью объемной вентиляции, частотой вдоха/выдоха) таким образом, чтобы параметры режима вентиляции были оптимальными для текущего физиологического состояния пациента. БТИВС АИВЛ должна включать измерительный модуль для измерения параметров вдыхаемого/выдыхаемого газа и параметров крови, блок обработки измерительной информации и блок управления, который обеспечит изменение параметров формируемой смеси. Такая система должна включать два контура управления, малый контур для адаптивного изменения параметров вентиляции в заданных пределах, и большой контур управления, охватывающий врача - анестезиолога для изменения режимов работы и параметров вентиляции.

Анализ этапов адаптивного регулирования позволил уточнить взаимодействие технических и биологических звеньев БТС АИВЛ в процессе функционирования системы и предложить алгоритм адаптивной искусственной вентиляции легких, который должен обеспечивать пошаговое изменение параметров вентиляции с небольшими приращениями (шагом) и оценку текущего состояния пациента на каждом шаге и динамику изменения состояния пациента во времени.

Интеллектуальная биотехническая система для адаптивной ИВЛ назначает и обеспечивает искусственную вентиляцию легких человеку и поэтому в ее работе должны быть исключены сбои и ошибки. Такие системы должны удовлетворять требованиям устойчивости. Для ее оценки нами предложен информационный критерий, который учитывает особенности объекта управления. Этот критерий направлен на исключение информационной неопределенности в адаптивном управлении и установлении режима работы, опасного для жизни пациента.

ГЛАВА 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АИВЛ

Важным этапом синтеза биотехнической измерительно-вычислительной системы для АИВЛ является уточнение метрологических требований к разрабатываемой системе, так как метрологические характеристики в значительной степени определяют функциональные возможности и надежность работы всей системы. В связи с этим актуальным является выявление источников погрешности работы системы и изучение характера их влияния на эффективность работы системы. Решение этой проблемы необходимо проводить поэтапно. На первом этапе - следует выявить и систематизировать возникающие в системе БТИВС АИВЛ погрешности, а далее - в зависимости от причин их вызывающих - оценить степень их влияния на точность выполнения адаптивной вентиляции легких пациента. Исследование погрешностей АИВЛ имеет большое как научное, так и практическое значение. Оно позволяет сформулировать метрологические требования к измерительному модулю, узлам обработки и анализа информации, исполнительному устройству, формирующему газовую смесь с необходимыми параметрами, и на основе этих требований выбрать подходящие датчики и исполнительные устройства, алгоритмы и методы обработки измерительной информации, разработать конкретные образцы БТИВС АИВЛ [70]. И самое главное - изучение характера проявления этих погрешностей позволит наметить пути повышения точности оценки состояния пациента, разработать рекомендации по повышению устойчивости АИВЛ.

1. В результате этих ошибок формируемая газовая смесь и режим вентиляции будут неадекватными текущему состоянию пациента, а эффективность АИВЛ будет низка.

2. Рассмотрим схему, отражающую последовательность преобразования информации (сигналов) при проведении адаптивной вентиляции (рис. 3. 1).

3. При реализации преобразований проявляются погрешности, которые необходимо разделять на методические и инструментальные.

4. Рис. 3.1. Структура преобразования сигналов при АИВЛ.

5. Этап задания параметров режима вентиляционной поддержки.

6. Перечисленные субъективные погрешности уместно отнести к методическим погрешностям, так как они зависят от технологии задания параметров и не зависят от характеристик технических средств.

7. На рассматриваемом этапе имеют место и инструментальные погрешности, связанные с работой аппарата. В аппарате можно выделить несколько узлов, каждый из которых вносит некоторую погрешность в работу аппарата ИВЛ:

8. Устройство формирования газовой смеси. Здесь имеют место следующие погрешности: недостаточная очистка газовой смеси адсорбером (замкнутый контур), изменение давления или концентрации кислорода, изменение температуры газовой смеси.

9. Дыхательный контур. Недостаточная очистка воздуха применяемыми фильтрами (одноразовые и многоразовые фильтры).

10. Дыхательный процесс. Обозначим совокупность показателей текущего состояния пациента через {S}.

11. Следует отметить, что психологический настрой пациента на проведение ИВЛ существенно влияет как на ход проведения ИВЛ, так и на достоверность результатов оценки его состояния.

12. Все выше перечисленные случаи усложняют назначение пациенту адекватного его состоянию режима вентиляционной поддержки, что приводит к существенной методической погрешности, которую нельзя не учитывать при проведении исследования.

13. В результате проявления психологического фактора текущее состояние пациента будет характеризоваться совокупностью параметров {Ф*}, которые не будут адекватными его состоянию {S}.

14. Этап измерения психофизиологических характеристик дыхательной функции пациента.

15. Погрешности, связанные с выбором средств исследования, проявляются на этапе измерения показателей системы дыхания и психофизиологии пациента {Ф*}. Этот этап сопровождается методическими и инструментальными погрешностями измерений.

16. К субъективным факторам следует отнести факторы, которые непосредственно связаны с состоянием пациента и уровнем подготовки медицинского персонала.

17. Следует отметить, что в зависимости от типа датчиков, измерительных преобразователей, метрологических характеристик элементов и узлов измерительного модуля инструментальные и методические погрешности могут сильно различаться или быть сопоставимыми.

18. Этап обработки результатов измерений.

19. По завершении процесса обработки информации получаем совокупность показателей состояния системы дыхания {Р*}.

20. Этап формирования управляющих сигналов необходим для автоматической корректировки параметров режима вентиляционной поддержки, либо для замены режима другим, более подходящим для текущего состояния пациента.

21. В соответствии с проведенным анализом источников погрешности проведения адаптивной ИВЛ эти источники могут быть представлены в виде следующей таблицы 3.1.