автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Исследование и разработка аппарата ИВЛ как системы управления вентиляцией легких

" - пЬ

и

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

КАНТОР ПАВЕЛ СЕМЕНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АППАРАТА ИВЛ КАК СИСТЕНЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИЕИ ЛЕГКИХ.

05.11.17 - Медицинские приборы и измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в ноники им. н. Ф. владимирского и НИИ медицинского приборостроения ранн.

научные руководители: доктор Физико-математических наук Ульянов с. в. доктор медицинских наук Лескин Г. С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор в. Н. Новосельцев, доктор технических наук, профессор В. Г. Гродецкий. Ведущее предприятие: вычислительный Центр РАН.

зашита состоится а23я . Й-.^'Н &. 199<т' г. в .... час. на заседании специализированного совета Д001.44. 01 (ниии медицинского приборостроения, носква. тинирязевс-кая ул. 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ МП Автореферат разослан "23 - .. .. 199 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н.

Н. И. Попов

- 3: -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕНЫ. В системе интенсивного лечения острой дыхательной недостаточности(ОДН) различной этиологии одним из наиболее распространенных видов терапии является искусственная вентиляция легких ШВЛ). непрекращающиеся поиски путей повышения лечебного эффекта ИВЛ, выражающиеся в модификации традиционных и появлении новых медицинских методик, требуют совершенствования аппаратуры для ее реализации.

следует отметить ряд аспектов, наличие которых вызывает необходимость совершенствования аппаратов ИВЛ:

- принципы замещения временно утраченной вентиляционной функшш организма не учитывают функционирование всего замещаемого Физиологического звена - системы внешнего дыхания;

- отсутствие аппаратных средств, позволяющих осэтяествить подобное взаимодействие;

- отсутствие в арсенале врачей-исследователей аппаратных средств, позволяющих обеспечить быстрый преход от теоретических исследований медицинских методик, повышающих эффективность ивл, к экспериментальным исследованиям и клинической апробации.

Исследование принципов управления Физиологическим процессом аппаратными средствами, разработка исполнительных механизмов, удовлетворяющих требованиям управляющей системы, исследование принципов управления на основе биоинФормании о состоянии пациента и разработка алгоритмов управления в настоящее вреня являются актуальной проблемой в этой области медицинского приборостроения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование принципов управления процессом вентиляции, разработка алгоритмов управления и исполнительных механизмов, удовлетворяющих этин принципам.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Провести исследование механизмов вентиляции, обеспечивающих газовый состав альвеолярного пространства.

2. Провести исследование принципов дуального управления и разработать управляющие алгоритмы.

3. на основе проведенных исследований разработать технические средства (исполнительные механизмы) для реализации алгоритмов управления.

4. провести исследования предельных характеристик исполнительных механизмов в составе аппарата ИВЛ.

5. провести исследования применения управляющих алгоритмов и исполнительных механизмов в структурах аппаратов ИВЛ различных областей применения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Научная новизна результатов полученных в работе, заключается в следующем:

- теоретически исследованы и экспериментально подтверждены зависимости основных параметров. Формирующих газовый состав альвеолярного пространства от управляющих воздействий;

- выведены расчетные Формулы для определения скорости потока газа в легких и внутрилегочного давления по заданным выходным параметрам аппарата ивл и интегральным характеристикам легких пациента;

- обоснована возможность применения принципов дуального управления параметрами и функциональными режимами ИВЛ.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Обоснована номенклатура и получены технические харак-

теристики электронноуправляемых исполнительных механизмов.

г. разработаны алгоритмы управления и блок-схема система автоматического управления параметрами и режимами ИВЛ на основе биоинФормашш о состоянии пациента.

3. разработаны унифицирован™е модули структр аппаратов ивл различных областей применения.

4. осуществлена техническая реализация структур трех аппаратов ИВЛ различных областей применения на унФюшрованных модулях.

апробация работы. Основные положения и отдельные разделы работы докладывались на всесоюзной конференции по биомеханике (Рига, 1984 г. ), Международном симпозиуме мак (Ереван. 1984 г. )> на заседаниях мноар (Носква. 1985.1986 гг.). Советско-Американском симпозиуме по медицинской технике(Носква, 1987 г. ).со-ветско-Чехо-словадких симпозиумах по медицинской технике (Стара тура.1988,1989 гг.). на 2-м конгрессе пульмонологов (Челябинск. 1991 г. ).

публикации. По результатам выполненых исследований и разработок опубликовано 5 статей и получено б авторских свидетельств.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ПРЕДСТАВЛЯЕМЫЕ К ЗАЩИТЕ.

1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований зависимости основных параметров. Формирующих газовый состав альвеолярного пространства, от управляющих воздействий аппарата ивл.

2. Принципы дуального управления режимами и параметрами

ивл.

3. Структуры аппаратов ИВЛ различных областей применения. построенные на базе унифицированных нодулей.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ.

диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения и заключения. Содержит 95 страниц машинописного текста. 25 рисунка и И таблиц. Библиографический указатель включает 45 источника отечественной и 14 источников зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследований и перечень основных задач, вытекающих из поставленной цели, описывается методика исследований, научная новизна и зашиваемые положения.

в первой главе проведен анализ Физиологических и технических аспектов управления вентиляцией легких и сформулированы задачи исследованй.

В системе интенсивного лечения дыхательной недостаточности (ДН) различной этиологии одним из наиболее распространенных видов терапии является искусственная вентиляция легких (ИВЛ). из существующих видов ИВЛ для анализа была взята, как наиболее распространенная, ивл с помошью аппарата. Основу аппаратной ивл составляет методика вентиляции с перемежающимся положительным давлением (ивл ппд). при ивл ппд, также как и при самостоятельной вентиляции происходит циклическая смена направления движения газа, т. е. разграничение Фаз вдоха и выдоха.

согласно современной теории физиологических Функциональных систем, вентиляция легких является результатом деятельности совокупностей системы внешнего дыхания(СВД), системы кровообращения. системы тканевого дыхания и нейрогуморальной систе-

мы. Замещение утраченной вентиляционной Функции организма па аппаратную ИВЛ приводит к нарушению существующих Физиологических связей, выключение их функций из процесса артериали-запии крови, существующие принципы построения аппаратов ИВЛ не обеспечивают возможность их использования в качестве система управления вентиляции легких с учетом Функционирования остальных физиологических звеньев.

теоретически разработаны принципы построения аппаратов ИВЛ как системы управления. Эти принципы основаны на применении электронноуправляеных исполнительных механизмов(да?)> датчиков и нониторных систем, микропроцессорного контролле ра.

Однако, практически до настояшего времени но исследованы принципы управления вентиляцией легких с учетом функцио нирования всех звеньев СВД. не разработана номенклатура электронноуправляеных ИН и не исследована их предельные характеристики в составе аппарата ивл.

Бее вышеизложенное определило перечень задач исследований.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приведет результата исследований, в рамках которых вентиляция легких рассматривалась как перио дический процесс, описываемый следующими соотношениями:

X(t> - xtt + т>, где т = const хо - l/2(Xrnax+ xmin)

Следовательно, основные параметры вентиляции (Vm, vt., Рвл) претерпевают ограниченные изменения относительно некого среднего уровня, т. е. совершают периодические колебания. Однако природа этих колебаний при самостоятельной вентиляции и ИВЛ различна.

При самостоятельной вентиляции амплитуда и период колебаний определяется свойствами самой СВД. В течение одной части периода (вдох) происходит пополнение колебательной энергии, а в течение другой его части (выдох) - уменьшение колебательной энергии. Таким образом обеспечивается энергетический баланс системы: Р

J F(t)dt = О, о

что означает наличие в системе стационарных автоколебаний.

При ивл амплитуда и период колебаний любого из выбранных параметров не могут быть однозначно определены свойствами вен тиляционной системы, т.к. основным определяющим Фактором колебательного процесса является воздействие аппарата ИВЛ. в дан ном случае можно говорить о налички вынужденных колебаний.

В процессе исследования вынужденных колебаний в системе "аппарат-пациент" необходимо было выяснить характер изменения двух переменных, характеризующих состояние системы:

- величины внутрилегочного давления(Рвл);

- величины скорости потока газа(У).

Используя известную аналогию между пневматическими и электрическими сигналами , запишем уравнение движения газ в виде уравнения движения тока в колебательном контуре:

у с ¿к

L1K + RIK + 1/CJ IKdt -- С0е

о

Как следует из теории, амплитуда вынужденных колебаний зависит от амплитуды внешнего воздействия, от частоты внешнего воздействия и от параметров колебательной системы Всякая

колебательная систена может быть охарактеризовав двумя параметрами: -

- частотой собственных колебаний - и) о =

- добротностью - й = ЬО о/2>. где Я= И/гь. Исследование на математической модели проводились при

условии постоянной амплитуды внешнего воздействия и { = уаг.

Полагая, что: _ ,----§

Ю = с О/У (И - ;

ютах - 6 о/я

найдем отношение амплитуд токов. Вводя безразмерный коэффициент £о/ьОо - получаем: ^ ,---

юлоиах:«: 1/\1 +СГГ/ 1)г

Аналогичным образом: с А ,—----5—-

ио/со = V = 1/У( Г- 1) + У /О Так. как 1(= f/\tio. а О : м)о/г^ , с помошью элементарных преобразований можно записать:

ы = /V 1 +

V -- 1 /VI +£?г2,

Чг- 0 / V = 1/:РС . где ^ г кс - постоянная времени легких.

л. лНа основании полученных выражений были расчитаны значения V, V и Уг для частотного диапазона о. 16 - £ Гц, используемого в практике применения ивл. значения Б и С соответствовали различным физиологическим состояниям легких На рис. 1 приведены графики функций УШ. ЧШ и ЫгШ соответственно.

Результаты теоретических исследований были экспериментально проверены на Физической модели легких с переменными й и С . Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. г.

Полученные теоретико-экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при постоянной амплитуде внешнего воздействия и при переменной значении частоты этого воздействия характер исследуемых вентиляционных параметров может быть описан с помошью V. $ и У2. При этом с увеличением частоты происходит увеличение скорости потока с одновременным уменьшением величинывнутрилегочного давления, клиническим подтверждением полученных результатов является новая медицинская методика -высокочастотная(ВЧ) ивл. Результаты клинической апробации аппарата вч ивл приведены в таблице 1.

табл. 1.

РУ,1/Ш1П Ра02. тшне Расо, ттНЁ ОК. Ь/П)1П VK.ini Ра, ют

20 73. 2 гг. т 4. 0 40 113

100 115 28. 5 4. 7 48 97

120 107 28. 5 4. 7 47 107

150 119 28. 9 5. 5 49 104

180 120 24. 3 4. 5 42 101

240 102 29. 4 4. 7 53 92

11-23, Р<0. 01.

частота вентиляции, Ка - частота сердечных сокращений, минутный объем кровообращения, ук - ударный обьен крово-Раог и Расог - парциальные давления кислорода и углекис-

ру -

<ак -тока.

Рис. ( Графики-функций ^ ), \д/ ({>), V/, (/),

^ - объемная скорость вдувания газе; Рт - "внутритрахеахьное давление".

Рис.2. Влияние частоты вентиляции на V и Рт (экспериментальные исследования)С 3

лого газа в артериальной крови.

были также проведены исследования возможности управления диффузионной компонентой вентиляционного процесса.

В качестве математической модели исследований было взято выражение, отражающее транспорт кислорода по трахеобронхиаль-ному дереву: ЪС ~ъ2с ^ /Ъ ^t) л/мЭс btz (Т'ъх

При исследованиях возможности управления диффузионной компоненты вентиляции модифицированная модель трахео-бронхи-ального дерева рассматривалась как система последовательно соединенных труб с переменным сечением. Форма вынужденных колебаний газа в трубе может быть представлена выражением вида: Х(х) = AC0S(f/и> )Х + ВзШ1£/и>)Х Как и ранее была использована аналогия между пневматическими и электрическими цепями:

S¿» 2ттЦ~

е(х, t) = ео -.- oj7 а— е

¿tu ?ir е/к

проведенные вычисления позволили определить Форму колебаний Е(X,t) или аналогично СоIX,t) при различных частотах внешнего воздействия.

Известно, что скорость диффузионного процесса, описываемого законом Фика, является функцией концентрации диффундирующего газа. Следовательно» на основании полученных результатов теоретических исследований можно предположить возможность управления диффузионной компонентой вентиляционного процесса. Экспериментальная проверка теоретических результатов в лабораторных условиях проводилась сочетанием двух аппаратов ИВЛ: "РО-б" с диапазоном частоты вентиляции до 60 i/мин и аппарат ВЧ ИВЛ с частотным диапазоном до 300 1/нин. Результата эксперимента явились основой новой медицинской методики - комбинированной (сочетанноиз ивл. клинические результаты при апробации этой методики приведены в таблице г.

Табл.г.

Параметр ИВЛ - РО-6 ИВЛ - РО-б + "спирон- -601"

i реж. 2 реж. FB4=120 FB4=180 FB4-240

vt, 1 0. 8 0. 7 0. 7 0. 4 0. 4

vm, i/mm 23 23 15 12 12

хог 50 100 50 50 21

Ра02, mm 75 152 143 105 150

расог на 26. 8 ги га 24 24

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвержденные клиническими данными, свидетельствуют, что наложение высокочастотных колебаний на поток газовой смеси, подаваемый в Фазу вдоха(комбинированная ИВЛ) позволяет обеспечить необходимый газовый состав АП при скоростях потока в два раза меньших, чем при традиционной нормочастотной ИВЛ. кроме того полученные в ходе исследований данные позволяют предположить о наличии явлений сходных по своей Физической природе с явлениями ударного резонанса. В результате этих явлении в тра-хео-бронхиальном дереве происходит преобразование трения сцепления в трение скольжения, т. е. уменьшение сопротивления потоку газа, эти явления вызывают в легких усиленную дисперсию благодаря комбинированному действию осевой конвекции и ради-

альной молекулярной диффузии - усиленное смешивание под действием эффекта Тейлора.

Принцип Физиологического управления вентиляции основан на поддержании определенного уровня вентиляционно-перфузионного отношения. Кроме того отмечено наличие определенного синхро низма и соотношения между частотой сердечных сокращений Счсс) и частотой вентиляции(ЧВ). В условиях ИВЛ нарушается взаимо действие регуляторного процесса и величина ЧСС/ЧВ может быть случайной величиной.

При теоретических исследованиях двух Физиологических взаимосвязанных колебательных систем было установление, что бол шинство переменных, описывающих состояние систем, не могут быть в настоящее время выражены количественно. Это не позволило определить расчетным путем параметры управления аппаратом ИВЛ, при которых взаимодействие легких и малого круга кровообращения было приближено к Физиологическому.

Однако, уже упомянутые данные о наличии синхронизма в деятельности этих систем позволили провести экспериментальные исследования новой медицинской методики - кардиосинхронизиро-ванной(КС) ИВЛ. Суть этой методики заключалась в синхронизаяии Фазы аппаратного вдоха с определенной Фазой сердечного цикла, при этом длительность Фазы вдоха не превышала длительность Фазы сердечного цикла.

Выбор временных параметров КС ИВЛ основывался на известных данных о Физиологии сердечно-сосудистой системы. В качестве критерия оценки адекватности методики было выбрано Рла. являющийся основным параметром определения энергозатрат малогокруга кровообращения.

Экспериментальная установка представляла собой аппарат ивл, переключение Фаз дыхательного цикла которого осуществлялась внешним электрическим сигналом. в состав установки входил кардиосинхронизатор, позволяющий выделять 8-зубец ЭКГ и Формировать, с задаваемой задержкой внешний управляющий сигнал. Эксперименты на лабораторных животных показали, что наилучшие результаты получены при чсс/чв = 4:1(5:1) и совпадении Фазы вдоха с Фазой диастолы сердечного никла.

Результаты теоретических исследований их клиническое подтверждение свидетельствуют о возможности применения алгоритмов управления режинами и параметрами ИВЛ, обеспечивающих взаимодействие аппарата с функционированием Физиологических звеньев свд.

в третьей главе приводятся результаты разработки и исследований электронноулравляемых ин, а также обосновываются принципы построения унифицированных модулей структур управления.

Были исследованы статические и динамические характеристики газовых потоков, подаваемых в верхние дыхательные пути пациента при различных медицинских методиках ИВЛ. Результаты этих исследований послужили в дальнейшем критерием оценки предельных возможностей того или иного типа ИН в составе унифицированных модулей.

Было показано, что если статические(потоковые) характеристики аппарата могут быть обеспечены ИМ любого типа, то динамические характеристики могут быть реализованы только ИН, управляемыми сигналами микропроцессорного контроллера (МПК).

Ниже приведены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований унифицированных ин.

А. ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПНЕВНАТЙЧЕСКЙИ РЕГУЛЯТОР (ПЭПР).

В программу исследований статических характеристик входили оценка линейности выходных характеристик ПЭПР: Рвых = fШу) при Рвх = const и Q - ftuy) при Рвх - const, где Рвых - давление на выходе ПЭПР, Q - скорость потока на выходе ПЭПР, иу - напряжение управления и Рвх - давление на входе в ПЭПР. Результаты исследований показывают, что выходные параметры ПЭПР линейно зависят от управлявшего напряжения и в диапазоне регулирования 0-5B обеспечивают регламентированные амплитуды выходнвх параметров.

Опенка динамических характеристик ПЭПР проводилась с целью определения возможностей ПЭПР осуществлять прерывание постоянного потока в частотном диапазоне б-зоо l/мин, а также возможности управления ПЭПР периодическими сигналами различной формы. Проведенные исследования показали, что по своим динамическим свойствам ПЭПР не уступает шкрокоирименяемому в аппаратах струйной ивл прерывателю постоянного потока на базе ЭМК. Но при этом ПЭПР за счет своей многофункциональности выполняет в аппаратах ивл Функции Формирователя потока яо трем независимым параметрам: амплитуде потока, частоте прерывания этого потока и Форме кривой скорости потока. Результаты исследований статических характеристик показанына рис, 3.

Анализ полученных результатов показывает также, что ПЭПР по своим частотным характеристикам обеспечивает расчетную крутизну переднего фронта и заданную амплитуду выходного пневматического сигнала. Полученные данные подтверждают возможность использования ПЭПР в структурной схеме распределительного устройства аппаратов струйной ИВЛ не только в качестве прерывателя потока газа, ( что в современных аппаратах обеспечивалось с помощью ЭНК), но и одновременно в качестве регулятора рабочего давления(расхода).

Анализ соответствия Формы выходных пневматических сигналов с аналогичными Формами электрических управляющих сигналов продемонстрировал возможность управления ПЭПР(без искажения его выходного пневматического сигиала) произвольным по Форме гармоническим управляющим сигналом. Наличие возможности такого рода управления ПЭПР позволяет использовать последний в структурной схеме распределительного устройства аппарата струйной ИВЛ в качестве исполнительного механизма, обеспечивающего изменение Формы кривой скорости потока на вдохе, как альтернативу уже существующим репзениям. Кроме того возможность одновременного управления с помоиью электрических сигналов амплитудой и частотой прерывания потока сжатого газа позволяет обеспечить реализацию в аппаратах струйной ИВЛ принципа амплитудно-частотной модуляции, с созданием разнообразных по Форме и частотному заполнению кривых скорости потока, потенциально обладающих более широкими функциональными возможностями по сравнению с обычно применяемой периодической подачей, 2-3 раза через каждые юо дыхательных циклов, удвоенного объема газа.

Таким образом ПЭПР по своим техническим характеристикам и функциональным возможностям может выполнять в аппаратах НВЛ роль Формирователя потока, причем процесс Формирования осуществляется по нескольким параметрам: амплитуде, временным зависимостям, составу дыхательной смеси и Форме кривой вдувания.

Puc.3. Стати <■/& с кие xa рун терц с m ииа ПЭПР

б. смеситель "кислород - воздух". (снг).

Конструктивно смеситель "кислород - воздух" представляет собой набор параллельно соединенных дросселей различного сечения, соединяемых с обшей магистраль» с помошыо ЭНК.

Определение плошадей сечения дросселей определялось в соответствии с требуемыми значениями * содержания кислорода в газовой смеси, исходя из существующей зависимости концентрации и отношения плошадей сечения дросселей:

К1

юох

где: кх процентное содержание кислорода в снеси при 1-том сочетании включенных и выключенных эж, 1-1... 13 , ;>зк сумма плошадей сечений дросселей, по который проходит кислород, при 1-том сочетании включенных и выключенных ЭНК,

> 5в - сумма плошадей сечений дроссельных отверствий, по которым проходит воздух, при 1-том сочетании включенных и выключенных ЭНК. На основании этих зависимостей были определены диаметры проходных сечений дросселей и разработана таблица включений энк, обеспечивающая управление четырехразрядным кодом концентрацией кислорода в дыхательной смеси.

В процессе исследования были определены предельные значения расхода кислорода и воздуха через дроссели Снг.

По значениям реальных расходов была определена концентрация кислорода в дыхательной смеси:

табл. з

1

•/ 02

1

17

3 24

32

5 б 7 8 9 10 11 12 13

36 40 45 50 60 69 73 76 79

Расчетные данные Были подтверждены экспериментальными исследованиями.

полученные результаты наряду с уже известными электрон-ноудравляемыми ин позволили разработать номенклатуру элект-ронноуправляемых многофункциональных ИН:

На основе данной номенклатуры была разработана конфигурация унифицированных модулей для реализации аппаратов различного Функционального назначения: портативный аппарат ивл;

- аппарат вспомогательной вентиляции;

- аппарат струйной ивл;

- универсальный аппарат ИВЛ.

Из представленных структур очевидно, что реализация той или иной методики ИВЛ может быть достигнута использованием в аппарате набора унифицированных модулей, соединяемых между собой в соответствии с областью применения аппарата.

В соответствии с этим была разработана иерархия программного обеспечения МПК систем управления, базирующаяся на определенных конструкциях алгоритмов управленимя унифицированными ин.

- т-

НОНЕНКЛАТУРА ЭЛЕКТРОННОУПРАВЛЯЕНЫХ

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

табл. 4.

Электронноуправляемый ИМ выполняемая функция

1. Пропорциональный злектро- Регулирование амплитуды

пневматический регулятор давления(скорости потока);

(ПЭПР) регулирование частоты и

скважности прерывания потока

газа; регулирование формы

кривой скорости потока;

обеспечение амплитуд-

но-частотной МОДУЛЯЦИИ

потока;

2. дроссель-регулятор(др) регулирование сопротивления

выдоху; регулирование

коэффициента инжекции;

регулирование скорости и

Формы кривой потока.

3. смеситель газов Регулирование концентрации

кислорода в дыхательной

смеси; регулирование концен-

трации газообразных анесте-

тиков

5. Генератор вдоха Создание постоянного потока

- 16 -

СТРУКТУРЫ АППАРАТОВ ИВЛ

1. Портативный аппарат

А - 1

Область применения:

- транспортировка больных;

- помошь на дому;

- экстренная помошь.

2. Аппарат вспомогательной

вентиляции

Область применения: отделения реанимации и интенсивной терапии; респираторные кабинеты; Фтизиатрия.

1 - ПЭПР; г - ДР; 5 - генератор вдоха. А - шк с объемом памяти 1 Кб; Б - НПК с объемом памяти 4 Кб.

Аппарат струйной ИВЛ. Область применения:

- отделения анестезиологии, реанимации и интенсивной терапии.

4. Универсальный аппарат ИВЛ.

1 - ПЭПР; 2 - ДР; 3 -СмГ; 4 - УВД; 5 - генератор вдоха;

Б - НПК с объемом памяти 4 Кб.

основу иерархии составляет блок алгоритмов управления ПЭПР, включающий в себя управление: по амплитуде потока, частоте его прерывания и Форме кривой скорости потока на вдохе, программное обеспечение этого блока требует объма памяти порядка 1Кб. Учитывая наличие портативных аппаратов для их системы управления была разработана конфигурация МПК на базе процессора типа КР1816 ВЕ35, используемая как унифицированный модуль во всех портативных аппаратах ИВЛ.

Блоки алгоритмов управления остальными унифицированными ИН строились исходя из кострукции основного блока, т. к. функционирование всех ИИ. входящих в структуру аппаратов, являются зависимыми от функционирования ПЭПР.

такая иерархия программного обеспечения позволила создать конфигурацию унифицированного НПК на базе процессора КР1816 ВЕ31 с обьеном памяти 4 Кб, используемая как унифицированный модуль в стационарных аппаратах ИВЛ.

Предусмотренная при разработке конфигурации МПК возможность расширения памяти ( с учетом высокой унификации остальных управляющих структур) позволяет проводить модификацию аппаратов при появлении новых медицинских методик ИВЛ чисто программным путем без коренной переработки конструкции самого аппарата.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ исследовалась возможность повышения уровня автоматизации аппарата ивл за счет осуществления автоматической настройки его выходных параметров под состояние организма конкретного пациента, т. е. осуществлять дуальное управление, в результате проведенных теоретических и экспе-риментальных исследований можно сделать вывод о том. что жесткая логика принятия решений при автоматизации процесса управления биологическими объектами должна заменяться логико-лингвистическим принципами управления сложными объектами, т. е. количественные методы описания поведения объкта должки быть заменены на качественные.

Для Формализации качественных методов приближенных рассуждений и выводов применяется теория нечетких (неопределенных) множеств, базирующаяся на признание Факта существования у определенных множеств нечетких гранить

В рамках исследования структур управления аппаратов ивл была теоретически рассмотрена возможность, на основе описания процессов ИВЛ в соответствии с теорией нечетких множеств и лингвистических апроксимаций модели объекта управления, создание нечеткого контроллера(НК) дуального управления процессом ИВЛ. Реализация дуального управления обеспечивается взаимодействием регулирующих центров организма и управляющих воздействий оператора аппаратоа ИВЛ, функции оператора, в данном случае, должен выполнять нечеткий контроллер (рис. 4), имитирующий действия врача на основе модели объекта управления и экспертных оценок. Задачей дуального управления является распределение управляющих воздействий между аппаратом КВД и системой регуляции организма.

Идея метода регулирования аппарата ИВЛ заключается в автоматическом подборе амплитуды газового потока Уе(и) такой, чтобы ошибка " была минимальной. Таким образом, речь идет о создании в легких оптимального в данных условиях изменения внутрилегочного давления в течении Фазы вдоха.

В обшем виде закон регулирования описывается как отображение Фо множества входов Р в множество управляющих воздействий, то есть V.

Рис. Чг. Блок-схема нечеткого контроллера.

в данном случае входной величиной является £ Ш - ошибка но давлению Рвлш. а управляющим воздействием - "и", которое относится к ПЭПР или ДР, регулирующих амплитуду скорости потока. Однако информация по ошибке £ Ш не является достаточной для принятия решений и поэтому необходимо вычислять производную ошибки

В следствии того, что информация об индивидуальных параметрах объекта управления (ОУ) не является четкой, искомый регулятор реализуется в классе лингвистических арроксим^ций нечетких отображений типа: "если £ равно ¿ти и £ равному/, то и = ип. иначе

в нк входной сигнал £ И) распределяется по двум каналам и в одном из них дифференцируется. Величина ошибки "<? " и ее производная "С " определяют управлявшее воздействие "и".

Для множества величин ¿>(0) можно ввести функции

принадлежности (ФП) и лингвистические переменные (ЛП) как это принято в теории нечетких множеств. ФП для *£//• и "¿"//(О)" отражают качественную экспертную оценку Физиологического значения этих величин для пациента. На рис. 5 показан вид выбранных ФП для нормированной положительной ошибки, ее производной и управляющего воздействия.

Для нормированной ФП значение аргумента и самой функции заключены в интервале [0,11. Значение "1" соответствует наибольшему рассогласованию с "эталоном" здоровья, а значение "О" - полное с ним совпадение. ЛП для ФП в виде терм-множеств для всех трех переменных взяты одинаковыми: В - большой, ВС - выше среднего, с - средний, НС - ниже среднего, Н - малый, Н -близкий к нулю. На основании выбранных ЛП была составлена таю-лица лингвистических правил (ТЛП) для продукции вида:

"если ¿л/ - ^¿[¿и —>ВС1 и (О) = (<£) —> Н1,

то у<(ди ) - С 1уи (ли) —>4(и], иначе

В соответствии с выбранными дискретными значениями была получена ТЛП для положительной ошибки.

Применение ФП И ТЛП соответствует операции:

V пуи(ёы) Луи (л I? [^.¿'//(О), ли] = ^ Си), где К - нечеткое отношение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По результатам проделанной работа можно сделать следующие выводы:

1. Исследование принципов управления режимами и параметрами ИВЛ определило требования к их аппаратной реализации.

2. исследование предельных возможностей пропорционального электропневматического регулятора показало, что наличие электронного управления позволяет с помошью ПЭПР обеспечить требуемую динамику управления.

3. Применение ПЭПР позволяет обеспечить управляющие воздействия одновременно по трем независимым параметрам.

1. Многофункциональность ПЭПР, СмГ и ДР является основой создания унифицированных модулей на базе которых реализуется блочно-модульный принцип построения аппаратов ивл различных областей применения.

5. Реализация подобного блочно модульного принципа постро-

l 90 180

рис. ù. вид фп для £,:€) и и.

- 20 -

еиия аппаратов ИВЛ позволяет при модификации аппарата изменять только программное обеспечения не затрагивая конфигурацию аппарата в целом.

6. введение в аппаратную часть электронноуправяяеных йй расширяет возможности микропроцессорного контроллера управления . - 1 ' " .. . -

7. Применение логико-лингвистических правил управления режимами и параметрами аппарата ИВЛ позволит перейти <_ :

. . . к обь-

ктивной инФормяии о состоянии пацента с предложении выбора оптимальных, с точки зрения состояния конкретного пациента, управляющих воздействий. По результатам исследований и разработок:

- предложена номенклатура электронноуправляемых им и унифицированных модулей на основе этой номенклатуры:

- предложены блочно-модульные структуры построения аппаратов ИВЛ:

а) портативного для транспортных средств;

б)вспомогательной ИВЛ;

в)струйной ИВЛ;

г)универсального аппарата.

основные результаты диссертации были опубликованы в следующих работах:

1. Кантор п. с. и др. принципы построения унифицированных аппаратов ИВЛ с электроприводом.

И. Новости медицинского приборостроения» 19Т8 г.

2. Викторов В. А., Кантор П. С. , Супер Н. а., Ульянов с. В. подели управления аппаратами замещения органов на основе нечеткой логики. Труды IX конференции ифак. Ереван 1983 г.

3. Кантор П. С. и др. Высокочастотная ИВЛ: принципы методы, аппаратура, и. ЦБНТИ. 1988 г.

4. Васильева о. в, Ионов и. п., Кантор П. С.» Ульянов с. в. "Дуальное управление процессом ИВЛ"

"Иедининская техника" HI, 1989 г.

(Biomedical EngineerIns vol 23, No 1 1989 г.)

5. Кантор П.С., Ульянов С. В. , Лескин Г. С. "разработка технических средств для немедикаментозного лечения ХНЗЛ". Труды 2-го Всесоюзного симпозиума по болезням органов дыхания. Челябинск, 1991 г.

6. кантор п. С., Лескин г. с., Рачков н. Ю., Ульянов с. в. " Пропорциональный электропневматический регулятор и его применение в аппаратах ИВЛ" "Медицинская техника" Н2, 1993 г.

7. Кантор П. С. , Лескин Г. с. , Кассиль В, Л., Ульянов С. В. "Портативный аппарат ИВЛ с электронным управлением" Труды симпозиума "Организационные и лечебные аспекты медицины катостроф". Новокузнецк, 1993 г.

8. Лескин г. с. , шинкаренко ю. В., петрицкая Е. Н. , кантор п.с. "разработка и экспериментально-клиническое обоснование применения струйной ВЧ ИВЛ в анастезиоло-гии-реаниматологии". Юбилейный сборник Трудов ИОНИКИ "Актуальные проблемы медицины". Носква, 1993 г.

научная новизна результатов работы защищена авторскими свидетельствами:

1. Кантор п. с., Гальперин ю. ш. " устройство автомата-

ческого управления аппаратом ив/г A.c. N721099

2. кантор п. с. , глухов в. в., Тыклин А. А. " устройство управления аппаратом ИВЛ" А. С. H1303J61

3. Лескин Г. С., Кантор п. С. и др. " Аппарат ВЧ ИВЛ" А.С.N1641343

4. Глухов в. в. . Ионов И. П. , Кантор П. С. . Ульянов С. в. "Аппарат искусственной вентиляции легких" A.C. Н1621930

5. Лескин Г. С., Кантор П. С., Ульянов С. В.

" Способ Формирования воздействия при ИВЛ" А.С. Н1727787