АППАРАТ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ Российский патент 1994 года по МПК A61H31/02 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при построении любых приборов и аппаратов, содержащих исполнительные устройства, имеющие в качестве привода электромагниты.

Известны различные аппараты искусственной вентиляции легких (АИВЛ), которые отличаются типом генераторов вдоха (от встроенного компрессора до газового баллона или сети), дыхательных контуров (с разделительной емкостью или без нее), блоков управления (от пневматических до построенных на базе микроЭВМ), а также видом исполнительных устройств. Однако, если в качестве исполнительных устройств используются клапаны, приводимые в действие электромагнитами (ЭМ), становится принципиально важным состав механизма, передающего усилие от электромагнита к собственно клапану, а также схема включения и характер протекающих в обмотке электромагнитных процессов, так как все это влияет на такие характеристики как время срабатывания и время отпускания, а также предельная частота переключений.

В известных технических решениях используются реализуемые различными способами схемы форсированного включения, что должно обеспечивать сокращение времени срабатывания, а также схемы, обеспечивающие "облегченный" режим работы электромагнита, что должно приводить к сокращению времени отпускания.

Однако на практике обе эти меры не дают желаемого результата, так как неопределенное по длительности и амплитуде повышение напряжения питания приводит лишь к токовому удару и перегреву обмоток, а снижение напряжения удержания приводит к нечеткому срабатыванию клапана. Кроме того, во всех известных схемах электромагнит включается таким образом, что постоянный ток напряжения питания протекает через обмотку только в одном направлении, что приводит к появлению остаточной намагниченности в элементах магнитной системы электромагнита и в деталях механизма клапана. Последнее приводит к остановке электромагнитного клапана (ЭМК) в сработанном состоянии, для выведения из которого необходимо применять дополнительные конструкторские меры для возврата всех элементов системы в исходное состояние. Однако всякого рода возвратные пружины ухудшают динамику работы ЭМК и повышают вероятность отказа ввиду возможности механического заклинивания.

Ближайшим техническим решением является АИВЛ "Спирон-301", который включает в себя генератор вдоха, электронный блок управления с формирователем управляющих импульсов, дыхательных контур и исполнительное устройство с электромагнитными клапанами, обмотки которых включены в качестве коллекторных нагрузок в транзисторные ключевые схемы, при этом базы транзисторов соединены с формирователями управляющих импульсов блока управления, а между обмоткой ЭМК и шиной питания ключевой схемы включены двухполюсники, состоящие из емкости и резистора, соединенных параллельно.

При работе аппарата включение той или иной ключевой схемы приводит к срабатыванию ЭМК. При этом в начальный момент времени ток от источника питания протекает по цепи: шина питания, форсировочная емкость, обмотка ЭМК, коллекторно-эмиттерный переход транзистора, общий провод. По окончании заряда конденсатора ток удержания электромагнита течет по той же цепи за исключением емкости, взамен которой протекание тока обеспечивает резистор. Указанный характер работы аппарата приводит к тому, что в начальный момент через ЭМ протекает форсировочный ток, определяемый сопротивлением емкости переменному току. В дальнейшем величина тока удержания определяется величиной резистора.

При этом, как величина форсировочного тока, его длительность, так и величина тока удержания являются величинами нестабильными, зависящими от разброса номиналов элементов цепи, нестабильности напряжения питания, а также от вариаций условий эксплуатации (температура, влажность и прочее).

Таким образом, основным недостатком как аналогов, так и прототипа является низкая надежность, что в приложении к АИВЛ недопустимо ввиду опасности для жизни пациента.

Целью данного изобретения является повышение надежности аппарата искусственной вентиляции легких.

Указанная цель достигается за счет того, что в аппарат искусственной вентиляции легких (АИВЛ), содержащий генератор вдоха, соединенный с ним пневматически дыхательный контур и электромагнитные клапаны, объединенные в исполнительное устройство, и электронный блок управления введены по числу электромагнитных клапанов формирователи управляющих импульсов, регулируемые стабилизаторы напряжения с управляемыми делителями, мостовые транзисторные схемы, инверторы, одновибраторы, схемы 2И, одноразрядные двоичные счетчики, а также первые и вторые схемы 2х2И-ИЛИ, при этом каждый формирователь управляющих импульсов подключен к соответствующему выходу электронного блока управления и выходом связан с инвертором, первым входом одновибратора, первым входом схемы 2И, первыми входами схем 2х2И-ИЛИ и счетным входом одноразрядного двоичного счетчика, выход инвертора подключен к второму входу одновибратора, выход которого связан с вторым входом схемы 2И и четвертыми входами схем 2х2И-ИЛИ, прямой выход счетчика подключен ко второму входу первой схемы 2х2И-ИЛИ и третьему входу второй схемы 2х2И-ИЛИ, инверсный выход счетчика соединен с третьим входом первой схемы 2х2И-ИЛИ и вторым входом второй схемы 2х2И-ИЛИ и информационным входом счетчика, выход схемы 2И подключен к входу управляемого делителя, а выходы схем 2х2И-ИЛИ подключены к входам управляемых плеч мостовой транзисторной схемы.

Кроме этого в АИВЛ между базами транзисторов верхних плеч и коллекторами транзисторов нижних плеч транзисторных мостовых схем включены диоды, базы транзисторов верхних плеч соединены через резистор с проводом питания, а базы транзисторов нижних плеч соединены с общим проводом через транзисторы, для которых диод и резистор являются коллекторной нагрузкой, при этом параллельно обмотке электромагнита включен конденсатор.

Указанная цель достигается за счет того, что в аппарат искусственной вентиляции легких (АИВЛ), содержащий генератор вдоха, соединенный с ним пневматически дыхательный контур и электромагнитные клапаны, объединенные в исполнительное устройство, и электронный блок управления введены по числу электромагнитных клапанов формирователи управляющих импульсов, регулируемые стабилизаторы напряжения с управляемыми делителями, мостовые транзисторные схемы, инверторы, одновибраторы, схемы 2И, одноразрядные двоичные счетчики, а также первые и вторые схемы 2х2И-ИЛИ, при этом каждый формирователь управляющих импульсов подключен к соответствующему выходу электронного блока управления и выходом связан с инвертором, первым входом одновибратора, первым входом схемы 2И, первыми входами схем 2х2И-ИЛИ и счетным входом одноразрядного двоичного счетчика, выход инвертора подключен к второму входу одновибратора, выход которого связан с вторым входом схемы 2И и четвертыми входами схем 2х2И-ИЛИ, прямой выход счетчика подключен к второму входу первой схемы 2х2И-ИЛИ и третьему входу второй схемы 2х2И-ИЛИ, инверсный выход счетчика соединен с третьим входом первой схемы 2х2И-ИЛИ и вторым входом второй схемы 2х2И-ИЛИ и информационным входом счетчика, выход схемы 2И подключен к входу управляемого делителя, а выходы схем 2х2И-ИЛИ подключены к входам управляемых плеч мостовой транзисторной схемы.

Кроме этого, а АИВЛ между базами транзисторов верхних плеч и коллекторами транзисторов нижних плеч транзисторных мостовых схем включены диоды, базы транзисторов нижних плеч соединены через резистор с проводом питания, а базы транзисторов нижних плеч соединены с общим проводом через транзисторы, для которых диод и резистор являются коллекторной нагрузкой, при этом параллельно обмотке электромагнита включен конденсатор.

На фиг.1 изображена структурная схема аппарата; на фиг.2 - схема включения одного из клапанов.

Предлагаемый аппарат содержит (см. фиг.1) генератор вдоха 1, блок управления 2, формирователи управляющих импульсов 3, дыхательный контур 4, исполнительное устройство 5 с электромагнитными клапанами 6. При этом формирователи управляющих импульсов 3 связаны со стабилизаторами 7, через управляемые делители 8, и с подключенными к выходам стабилизаторов мостовые транзисторные схемы 9, в диагонали которых включены электромагнитные клапаны 6.

Выход блока управления 2 (см. фиг.2) связан с двоичным счетчиком 10 формирователя управляющих импульсов 3, а также с одновибратором 11 (с вторым входом - через инвертор 12); выход одновибратора 11 и выходы счетчика 10 связаны с двумя схемами 2х2И-ИЛИ 13, выходы которых соединены с мостовой схемой 9, а выход блока управления 2 и одновибратора 11 через схему 2И 14 связаны с управляемым делителем 8, в состав которого входят резисторы 15,16,24 и транзистор 17. Мостовая схема 9 состоит из резисторов 18, диодов 19, транзисторов 20,21,22 и конденсатора 23.

Работа схемы (см. фиг. 2) происходит следующим образом. При подаче с блока управления 2 на формирователь импульсов 3 управляющего сигнала одновибратор 11 вырабатывает импульс, поступающий на базу транзистора 17, что приводит на время существования импульса к увеличению выходного напряжения стабилизатора 7. Одновременно импульс блока управления 2 в формирователе импульсов 3 включает через схемы 2х2И-ИЛИ 13 транзистор 20-1, что приводит к открыванию соединенного с ним транзистора 22-1, база которого через диод 19-1 соединена с коллектором транзистора 20-1, а через резистор 18-1 с шиной питания. Одновременно с этим открыт транзистор 22-2, в результате чего через обмотку электромагнитного клапана 6 течет ток по цепи: шина питания, транзистор 22-2, обмотка, транзистор 21-1, общий провод. По окончании импульса одновибратора 11 стабилизатор переходит в режим стабилизации второго заданного уровня выходного напряжения, соответствующего току удержания электромагнитного клапана 6. По окончании управляющего импульса блока управления 2 одновибратор 11 вырабатывает второй короткий импульс, который через схему 2х2И-ИЛИ 13 подается на базу транзистора 20-2 и обеспечивает включение мостовой схемы 9 в соответствии с описанным выше порядком работы транзисторов, однако, в этой фазе работы схемы ток протекает по цепи: шина питания, транзистор 22-1, обмотка, транзистор 21-2, общий провод.

Длительность импульса одновибратора 11 рассчитывается и задается известными методами в таких пределах, чтобы в начальный момент обеспечивать форсированное включение ЭМК, что на практике оказывается достаточным и для деполяризации и снятия остаточной намагниченности элементов клапанного механизма.

Включение конденсатора 23 и диодов 19 обеспечивает защиту баз-эмиттерных переходов транзисторов 21 от протекания по ним экстратоков самоиндукции, возникновение которых обусловлено индуктивным характером нагрузки. Протекание указанных токов опасно еще и возможностью открывания транзисторов 22, что может привести к формированию сквозных каналов проводимости, и, как следствие, к перегрузке стабилизатора 7 по току.

При поступлении следующего импульса от блока управления 2 характер работы схемы изменяется за счет того, что счетчик 10 меняет свое состояние на противоположное, в результате чего рабочий канал проводимости формируется через транзисторы 22-1 и 21-2, а деполяризующий - через транзисторы 22-2 и 21-1.

Изменение выходного напряжения стабилизатора происходит из-за изменения соотношения сопротивлений плеч делителя, состоящего из постоянного резистора 24 (верхнее плечо) и включенных параллельно резистора 15 и цепи из транзистора 17 с резистором 16. Подача управляющего напряжения на базу транзистора 17 приводит к уменьшению сопротивления нижнего плеча, что в соответствии с общепринятой схемой компенсационных стабилизаторов напряжения приводит к увеличению выходного напряжения. Примером выполнения таких стабилизаторов на базе ИМС типа КР142ЕН9 (или им подобных) является известная схема (см. Р.Феллс. 750 практических электронных схем. М.: Мир,. 1986, с. 28).

Более подробное описание блока управления и формирователя импульсов приведено в паспорте аппарата "Спирон-301" (тА2.832.021 ПС). При реализации заявляемого технического решения блок управления может быть выполнен в виде ТЭЗ ОКМК-1-04 (тА5.105.102), в составе которого имеется последовательно-параллельный интерфейс типа КР580ВВ55А, который выполняет в этом случае функцию формирователя управляющих импульсов, что не исключает возможности применения оконечных каскадов, выполненных по схеме устройства-прототипа.

Реализация схемы одновибратора, соответствующего приведенному описанию, может быть проведена на базе ИМС типа К155АГ1 (или ей подобной) по стандартной схеме (см. Шило В.Л. Популярные цифровые схемы. М.: Металлургия, 1988, с.185).

Применение заявляемой структуры и схемы построения аппарата искусственной вентиляции легких позволяет исключить из конструкции ЭМК механические элементы, необходимые для противодействия явлениям остаточной намагниченности; увеличить реально достижимое быстродействие электромагнитных клапанов, а также резко повысить надежность аппаратов искусственной вентиляции легких, особенно аппаратов высокочастотной ИВЛ.

Указанные технические преимущества позволяют получить конкретный положительный социальный эффект, обусловленный повышением безопасности пациента, а также возможность реализации методики ИВЛ, как высокочастотной для более широкого круга медицинских показаний и в том числе для длительной поддерживающей ИВЛ в палатах интенсивной терапии.

Использование: в медицинской технике при построении аппаратов искусственной вентиляции легких, содержащих исполнительные устройства, имеющие в качестве привода электромагниты. Сущность изобретения: аппарат содержит генератор вдоха 1, блок управления 2 с формирователями 3 управляющих импульсов, дыхательный контур 4, исполнительное устройство 5 с электромагнитными клапанами 6. При этом новым является то, что блок управления 2 через формирователи 3 связан со стабилизаторами 7, имеющими управляемые делители 8 и подключенные к выходам стабилизаторов мостовые транзисторные схемы 9, в диагонали которых включены электромагнитные клапаны 6. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. АППАРАТ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ, содержащий генератор вдоха, соединенный с ним пневматически дыхательный контур и электромагнитные клапаны, объединенные в исполнительное устройство, и электронный блок управления, отличающийся тем, что в него введены по числу электромагнитных клапанов формирователи управляющих импульсов, регулируемые стабилизаторы напряжения с управляемыми делителями, мостовые транзисторы схемы, инверторы, одновибраторы, схемы 2И, одноразрядные двоичные счетчики, а также первые и вторые схемы 2 · 2И-ИЛИ, при этом каждый формирователь управляющих импульсов подключен к соответствующему выходу электронного блока управления и выходом связан с инвертором, первым входом одновибратора, первым входом схемы 2И, первыми входами схем 2 · 2И-ИЛИ и счетным входом одноразрядного двоичного счетчика, выход инвертора подключен к второму входу одновибратора, выход которого связан с вторым входом схемы 2И и четвертыми входами схем 2 · 2И-ИЛИ, прямой выход счетчика подключен к второму входу первой схемы 2 · 2И-ИЛИ и третьему входу второй схемы 2 · 2И-ИЛИ, инверсный выход счетчика соединен с третьим входом первой схемы 2 · 2И-ИЛИ и вторым входом второй схемы 2 · 2И-ИЛИ и информационным входом счетчика, выход схемы 2И подключен к входу управляемого делителя, а выходы схем 2 · 2И-ИЛИ подключены к входам управляемых плеч мостовой транзисторной схемы. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в нем между базами транзисторов верхних плеч и коллекторами транзисторов нижних плеч транзисторных мостовых схем включены диоды, базы транзисторов верхних плеч соединены через резистор с проводом питания, а базы транзисторов нижних плеч соединены с общим проводом через транзисторы, для которых диод и резистор являются коллекторной нагрузкой, при этом параллельно обмотке электромагнита включен конденсатор.