АППАРАТ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ Российский патент 2004 года по МПК A61H31/02 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для проведения искусственной вентиляции легких (ИВЛ), и найдет применение в отделениях хирургии, анестезиологии и интенсивной терапии.

Известен аппарат ИВЛ (патент РФ №2128493, А 61 Н 31/02), содержащий блок высокого давления с регулятором давления, инжектором, регулятором потока газа и реле давления, блок меха с регулятором дыхательных объемов и концевым выключателем инжектора, преобразователь давления, пневмопереключатель, дыхательный контур и блок управления.

Известный аппарат ИВЛ имеет существенные недостатки: перемещение разделительного меха осуществляется медицинским газом (кислородом или воздухом), поступающим от пневматического привода аппарата, более того, пневмопереключатель, служащий в пневмоприводе аппарата для коммутации газовых потоков, при своей работе также использует сжатый медицинский газ. Таким образом, усложняется конструкция аппарата, что снижает в целом его эксплуатационные характеристики.

Известен также аппарат ИВЛ (заявка №2002128416, А 61 Н 31/02, решение о выдаче патента РФ от 16.07.03 г.), содержащий блок управления с электроприводом и преобразователем давления, пневматически связанным с тройником пациента, дыхательный блок, включающий разделительный мех, связанный через передачу “винт-гайка” с электроприводом, линии вдоха и выдоха пациента, соединенные с тройником пациента. Линия вдоха пневматически связана с разделительным мехом. Аппарат содержит обратный клапан, установленный на линии вдоха, и мембранные управляемые клапаны, установленные на линиях вдоха и выдоха пациента, управляемые генераторами пневматических импульсов в виде мембраны с центральным соплом и клапана, кинематически связанного с якорем электромагнита. Надмембранная полость генераторов пневматически связана с соответствующими мембранными управляемыми клапанами на линиях вдоха и выдоха, а подмембранная полость - с выходом дозатора газовых смесей и дыхательным мешком. Блок подачи дыхательной смеси аппарата содержит дозатор газовой смеси, вход которого пневматически связан с источником сжатых медицинских газов, а выход - с дыхательным мешком, предохранительным клапаном и клапаном подсоса атмосферного воздуха, а также с разделительным мехом через обратный клапан.

Для данного аппарата ИВЛ характерны существенные недостатки, которые значительно ограничивают эффективность его применения в медицинской практике. Так, в частности, существенным конструктивным недостатком рассматриваемого аппарата является невозможность точного дозирования дыхательного объема в широком диапазоне, требуемом при использовании аппарата у взрослых пациентов, детей и новорожденных (требуемый диапазон от 20 до 2000 мл). Для подачи минимальных объемов дыхательной смеси требуется точно задавать амплитуду перемещения подвижной крышки меха менее 1 мм, что вызывает значительные технические трудности. В случае установки большой минутной вентиляции инерционность подвижной крышки мехов и деталей механической передачи затрудняет остановку точно в заданном начальном положении. Большой внутренний объем разделительного меха значительно увеличивает внутреннюю растяжимость аппарата, что затрудняет дозирование малых объемов с учетом низких значений и вариабельности растяжимости легких детей и новорожденных.

Кроме того, постоянное подключение к камере генератора пневматических импульсов дыхательного мешка для перекрывания линии выдоха во время вентиляции пациента вручную дыхательным мешком может создать опасную ситуацию, если после перехода на вентиляцию аппаратом оператор забудет снизить порог срабатывания предохранительного клапана.

Настоящее изобретение решает задачу обеспечения точного дозирования дыхательного объема в широком диапазоне (от 20 до 2000 мл), а также повышения надежности и безопасности проведения ИВЛ.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. В аппарате искусственной вентиляции легких, содержащем блок управления, включающий электропривод и преобразователь давления, пневматически соединенный с тройником пациента, дыхательный блок, включающий разделительный мех, связанный через передачу “винт-гайка” с электроприводом, линию вдоха, которая соединена с тройником пациента и через обратный клапан и управляемый мембранный клапан пневматически соединена с разделительным мехом, линию выдоха, которая соединена с тройником пациента и подключена к мембранному клапану, генератор пневматических импульсов в виде мембраны с центральным соплом и клапана, кинематически связанного с якорем электромагнита, входящего в состав генератора пневматических импульсов, надмембранная полость генератора пневматических импульсов пневматически соединена с управляемым клапаном в линии выдоха, а также блок подачи дыхательной смеси, включающий дозатор газовой смеси, вход которого соединен с источником сжатых медицинских газов, а выход - с дыхательным мешком, предохранительным клапаном, клапаном подсоса атмосферного воздуха и, через обратный клапан, с разделительным мехом дыхательного блока, согласно настоящему изобретению, между неподвижной и подвижной крышками разделительного меха дыхательного блока установлен второй мех с меньшей эффективной площадью. Разделительный мех большей эффективной площади пневматически соединен с линией вдоха через пневматический переключатель, который соединен с атмосферой.

Согласно изобретению в блок управления введен контроллер, первый вход которого соединен с выходом преобразователя давления, второй вход - с электрическим переключателем, который соединен с пневматическим переключателем, а выход контроллера подключен соответственно к генератору пневматических импульсов, к управляемому мембранному клапану и электроприводу.

В соответствии с настоящим изобретением дыхательный блок снабжен двумя электрическими концевыми выключателями, которые подключены ко второму входу контроллера и смонтированы с возможностью взаимодействия с подвижной крышкой разделительного меха дыхательного блока, а в линии выдоха между мембранным клапаном и генератором пневматических импульсов установлен пневматический переключатель, пневматически связанный с выходом блока подачи дыхательной смеси.

Изобретение предусматривает, что импульсный блок питания подключен соответственно к преобразователю давления, к третьему входу контроллера, концевым выключателям и электрическому переключателю.

Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что патентуемый аппарат обеспечивает возможность точного дозирования дыхательного объема в широком диапазоне (от 20 до 2000 мл), при этом патентуемый аппарат обладает и расширенными функциональными возможностями. Так, аппарат позволяет реализовать режим вентиляции с поддержкой постоянного давления без выпуска дыхательного газа в атмосферу, имеет большой диапазон установки объема, предусматривает вентиляцию одним аппаратом и детей, и взрослых, позволяет осуществлять контроль состояния пациента при вентиляции вручную, обладает возможностью реализации широкого спектра режимов вентиляции от управляемой ИВЛ до самостоятельного дыхания с постоянным положительным давлением и одновременно обеспечивает надежность и безопасность проведения ИВЛ для пациента.

Изложенная сущность изобретения поясняется описанием примера конкретной реализации аппарата ИВЛ и чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - пневматическая схема патентуемого аппарата ИВЛ;

фиг.2 - укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата.

Аппарат ИВЛ (фиг.1) содержит дыхательный блок 1, блок управления 2 и блок подачи дыхательной смеси 3.

Дыхательный блок 1 содержит установленные, например, соосно, мех 4 меньшей площади и разделительный мех 5 большей площади. Конструктивным достоинством патентуемого аппарата ИВЛ является то, что в качестве генератора вдоха применяется сдвоенный мех 4 и 5, что позволяет осуществлять вентиляцию легких как взрослых пациентов, так и детей. При этом такая конструкция отличается экономичностью и повышенным КПД. Меха укреплены между общими неподвижной крышкой 6 и подвижной крышкой 7. В области выступа 8 подвижной крышки 7 установлены концевые выключатели 9 и 10 (например, в виде оптопар), так что концевой выключатель 9 срабатывает при полном растяжении мехов 4 и 5, а концевой выключатель 10 примерно за три миллиметра до полного растяжения мехов.

Дыхательный блок 1 содержит пневматический переключатель 11, к которому подключены выходы мехов 4 и 5, а также вход электроуправляемого мембранного клапана 12. Пневматический переключатель 11 введен для осуществления точного дозирования дыхательного объема при вентиляции детей мехом 4. В показанном на фиг.1 положении пневматический переключатель 11 соединяет меха 4 и 5 для совместной работы, в другом положении переключателя 11 используется только мех 4, а выход меха 5 соединен с атмосферой.

Возвратно-поступательное движение подвижной крышки 7 обеспечивается механизмом 13, выполненным, например, в виде передачи “винт-гайка”, при вращении ротора электродвигателя 14, управляемого сигналами контроллера 23.

В линии вдоха дыхательного блока 1 установлен обратный клапан 15, а в линии выдоха этого блока - пневматически управляемый мембранный клапан 16, в который через пневматический переключатель 17 подается управляющий пневмосигнал генератора пневматических импульсов 18. Линии вдоха и выдоха гибкими шлангами 19 и 20 соединены с тройником пациента 21.

Блок управления 2 содержит электроуправляемый мембранный клапан 12 (например, см. Р.И.Бурлаков, Ю.Ш.Гальперин, В.М.Юревич “Искусственная вентиляция легких” (принципы, методы, аппаратура). - М.: Медицина, 1986. - 240 с., с.92, рис.18, в), программно-управляемый электродвигатель 14, например типа ДСТ-90, генератор пневматических импульсов 18 (например, см. прототип, заявка №2002128416, А 61 Н 31/02, решение о выдаче патента РФ от 16.07.03 г.), преобразователь давления 22 в электрический сигнал, используемый для управления аппаратом и аварийной сигнализацией (в качестве которого может быть использован преобразователь типа МРХ 2010 DP фирмы MOTOROLA), и контроллер 23, выполненный на основе микропроцессорного контроллера, например фирмы ATMEL AT 90 mega 103 (см., например, Справочник “Изделия и компоненты, предлагаемые фирмой “КТЦ-МК”. Микроконтроллеры фирмы Atmel семейства AVR. Издательство “КТЦ-МК”).

Блок 3 подачи дыхательной смеси включает дозатор газовой смеси 24, который пневматически связан с клапаном подсоса атмосферного воздуха 25, дыхательным мешком-ресивером 26 и предохранительным клапаном 27. Газ из мешка-ресивера 26 поступает в меха 4 и 5 через клапан 28. Выход блока 3 подачи дыхательной смеси пневматически соединен с пневматическим переключателем 17.

Электрическое питание элементов блока управления 2 обеспечивается импульсным блоком питания 29, например SP-150-15 фирмы MEAN WELL.

Контроллер 23 осуществляет все операции по управлению аппаратом, в т.ч. расчеты, логические операции, обработку аналогового сигнала от преобразователя давления в электрический сигнал 22, формирование сигналов, необходимых для осуществления гибкого управления электродвигателем 14, управление генератором пневматических импульсов 18, мембранным клапаном 12, обработка сигналов от концевых выключателей 9 и 10, а также от электрического переключателя 30, соединенного с пневматическим, переключателем 11 дыхательного блока 1 и подключенного к второму входу контроллера 23 и к импульсному блоку питания 29. Электрический переключатель 30 осуществляет переключение аппарата на взрослые или детские режимы работы в зависимости от коммутации пневматического переключателя 11. Электрический переключатель 30 может быть выполнен, например, в виде двух концевых выключателей.

Контроллер 23 осуществляет управление аппаратом в соответствии с разработанной программой. Укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата приведена на фиг.2. Полная и подробная документация о программном обеспечении работы патентуемого аппарата ИВЛ содержится в технической документации заявителя (см. техническую документацию заявителя АФИН.941622.010 ИМ).

Аппарат ИВЛ работает следующим образом. Рассмотрим реализуемые аппаратом фазы вентиляции, различное сочетание которых обеспечивает широкий спектр режимов ИВЛ.

Вдох. В соответствии с заданными оператором параметрами режима контроллер задает вращение ротора электродвигателя 14, которое через механизм 13 вызывает движение подвижной крышки 7 и сжатие мехов 4 и 5. Оно отсчитывается от их полностью растянутого положения, которое определяется срабатыванием концевого выключателя 9.

В показанном на фиг.1 положении пневматического переключателя 11 “ВЗРОСЛЫЕ” оба меха объединены, и газ из них через нормально открытый электроуправляемый мембранный клапан 12 и обратный клапан 15 поступает в легкие пациента. Линия выдоха 20 перекрыта пневматически управляемым мембранным клапаном 16 под действием давления, поступающего от электрически управляемого генератора пневматических импульсов 18 через пневматический переключатель 17, установленный оператором в показанное на схеме положение. Поступлению газа в блок подачи дыхательной смеси 3 препятствует клапан 28.

Длительность вдоха определяется контроллером 23 исходя из параметров установленного оператором режима вентиляции. По окончании времени вдоха, либо при сигнализации о превышении верхнего предела максимального давления контроллер 23 запускает фазу выдоха.

Выдох. По окончании вдоха программно управляемый электродвигатель через механизм 13 движением подвижной крышки 7 растягивает меха 4 и 5, засасывающие свежий газ из дыхательного мешка-ресивера 26 через клапан 28. Выступ 8 подвижной крышки 7 последовательно замыкает концевые выключатели 10 и 9 так, что концевой выключатель 10 срабатывает примерно за три миллиметра до полного растяжения мехов, а концевой выключатель 9 - при полном растяжении мехов 4 и 5. Такое техническое решение позволяет снизить влияние инерционности подвижной крышки мехов и деталей механической передачи на остановку мехов точно в заданном начальном положении.

В это время открывается пневматически управляемый мембранный клапан 16 и газ из легких пациента через тройник пациента 21, линию выдоха 20 и клапан 16 выходит наружу. Попаданию газа из легких в меха 4 и 5 препятствует обратный клапан 15.

Длительность выдоха также определяется контроллером 23 исходя из параметров установленного оператором режима вентиляции.

Заканчивается выдох в рассчитанный контроллером 23 момент времени.

Ожидание. После ближайшего срабатывания концевого выключателя 9 электродвигатель 14 останавливается, электроуправляемый мембранный клапан 12 срабатывает и отсекает от пациента меха, а пневматически управляемый мембранный клапан 16 отделяет линию выдоха. Попытка пациента вдохнуть снижает воспринимаемое преобразователем 22 давление в оставшейся части дыхательного контура до заданного значения, вследствие чего электроуправляемый мембранный клапан 12 подключает к линии вдоха меха, которые начинают сжиматься.

Исходя из параметров установленного оператором режима вентиляции, контроллер 23 определяет длительность фазы ожидания. Если в этот период времени дыхательной попытки не произошло, то контроллер 23 запускает фазы вдоха и выдоха соответственно.

Самостоятельная вентиляция. Конструкция патентуемого аппарата позволяет пациенту самостоятельно дышать через аппарат. При этом может обеспечиваться оксигенация, подогрев, увлажнение и фильтрация вдыхаемого газа. Генератор пневматических импульсов обесточивается и через пневматический переключатель 17 соединяет управляющую камеру пневматически управляемого мембранного клапана 16 с атмосферой, что снижает его сопротивление дыханию. Во время выполнения пациентом вдоха распределение газа в линиях вдоха и выдоха обеспечивается соответственно клапанами 15 и 16. Вдыхает пациент из мешка 26 через клапан 28 и нормально открытый электроуправляемый мембранный клапан 12, меха 4 и 5 удерживаются в растянутом состоянии заторможенным двигателем 14. Выдох пациент осуществляет через пневматически управляемый мембранный клапан 16. При этом обратный клапан 15 препятствует проникновению выдыхаемого газа в меха 4 и 5.

Самостоятельная вентиляция может осуществляться и с постоянной составляющей колебаний давления в дыхательном контуре (СДППД), при этом одновременно с самостоятельным дыханием через дыхательный контур (клапаны 12, 15, 16 и 28) протекает газ из мешка 26.

Т.к. меха 4 и 5 остаются неподвижными, а электроуправляемый мембранный клапан 12 и генератор пневматических импульсов 18 обесточены, то осуществление самостоятельной вентиляции возможно и при выключенном аппарате, в этом случае, конечно, не используются измерения.

В случае вентиляции пациента вручную мешком 26 пневматический переключатель 17 находится в другом, чем показанное на схеме (фиг.1), положении “ИВЛ ВРУЧНУЮ”, соединяя камеру управления пневматически управляемого мембранного клапана 16 с линией подачи свежей смеси. Режим может осуществляться как при включенном аппарате, когда используются измерения, сигнализация и др., так и при выключенном или неисправном аппарате.

Во время вдоха газ из дыхательного мешка-ресивера 26 через клапаны 15, 28 и электроуправляемый мембранный клапан 12 поступает пациенту, а линия выдоха перекрыта давлением, передаваемым через пневматический переключатель 17 в управляющую камеру пневматически управляемого мембранного клапана 16.

После прекращения сжатия дыхательного мешка-ресивера 26 давление в нем падает, поэтому пневматически управляемый мембранный клапан 16 открывается, и пациент выдыхает, а дыхательный мешок-ресивер 26 снова наполняется.

Если вместо дыхательного мешка-ресивера подключить саморасправляющийся мешок, то вентилировать пациента вручную можно и в отсутствие подачи кислорода, т.к. при расправлении мешка он наполняется воздухом через клапан подсоса атмосферного воздуха 25.

Для осуществления аппаратом вентиляции детей пневматический переключатель 11 необходимо перевести в положение “ДЕТИ”, мех 5 с большей эффективной площадью открывается в атмосферу, а вентиляция осуществляется только мехом 4 с меньшей эффективной площадью, что обеспечивает точное задание дыхательных объемов, меньших 250 мл.

Таким образом, патентуемый аппарат ИВЛ позволяет реализовать широкий спектр различных режимов работы (управляемая ИВЛ, управляемая ИВЛ+вздох, вспомогательная ИВЛ, апнойная ИВЛ, поддержка давлением, синхронизированная периодическая ИВЛ, самостоятельное дыхание с постоянно положительным давлением, самостоятельное дыхание и др. - описание режимов см. Гальперин Ю.С., Бурлаков Р.И. “Наркозно-дыхательная аппаратура. Устройство, разработка, эксплуатация”, М., ЗАО “ВНИИМП-ВИТА”, 2002 г. - с.50), определяемых программой контроллера 23 в широком диапазоне дыхательных объемов, и в дальнейшем значительно расширить свои функциональные возможности без каких-либо конструктивных изменений.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для проведения искусственной вентиляции легких, и предназначено для использования в отделениях хирургии, анестезиологии и интенсивной терапии. Аппарат содержит дыхательный блок, блок управления и блок подачи дыхательной смеси. Дыхательный блок включает разделительный мех, сдвоенный с мехом меньшей эффективной площади. Меха укреплены между подвижной и неподвижной крышками. В области выступа крышки установлены концевые выключатели. Дыхательный блок содержит два пневматических переключателя, электрический переключатель и мембранный клапан. Движение крышки обеспечивается механизмом при вращении ротора электродвигателя, управляемого сигналами контроллера. В линии вдоха дыхательного блока установлен обратный клапан, а в линии выдоха - мембранный клапан, в который через переключатель подается пневмосигнал генератора пневматических импульсов. Линии вдоха и выдоха гибкими шлангами соединены с тройником пациента. Блок управления содержит мембранный клапан, электродвигатель, генератор пневматических импульсов, преобразователь давления и контроллер. Блок подачи дыхательной смеси включает дозатор газовой смеси, клапан подсоса атмосферного воздуха, дыхательный мешок-ресивер и предохранительный клапан. Газ из мешка-ресивера поступает в меха через клапан. Электрическое питание блока управления обеспечивается импульсным блоком питания. Патентуемый аппарат обеспечивает возможность точного дозирования дыхательного объема в широком диапазоне (от 20 до 2000 мл) и обладает расширенными функциональными возможностями. 2 ил.

Аппарат искусственной вентиляции легких, содержащий блок управления, включающий электропривод и преобразователь давления, пневматически соединенный с тройником пациента, дыхательный блок, включающий разделительный мех, связанный через передачу винт - гайка с электроприводом, линию вдоха, которая соединена с тройником пациента и через обратный клапан и управляемый мембранный клапан пневматически соединена с разделительным мехом, линию выдоха, которая соединена с тройником пациента и подключена к мембранному клапану, генератор пневматических импульсов в виде мембраны с центральным соплом и клапана, кинематически связанного с якорем электромагнита, входящего в состав генератора пневматических импульсов, надмембранная полость генератора пневматических импульсов пневматически соединена с управляемым клапаном в линии выдоха, а также блок подачи дыхательной смеси, включающий дозатор газовой смеси, вход которого соединен с источником сжатых медицинских газов, а выход - с дыхательным мешком, предохранительным клапаном, клапаном подсоса атмосферного воздуха и через обратный клапан с разделительным мехом дыхательного блока, отличающийся тем, что между неподвижной и подвижной крышками разделительного меха дыхательного блока установлен второй мех с меньшей эффективной площадью, разделительный мех большей эффективной площади пневматически соединен с линией вдоха через пневматический переключатель, который соединен с атмосферой, в блок управления введен контроллер, первый вход которого соединен с выходом преобразователя давления, второй вход - с электрическим переключателем, который соединен с пневматическим переключателем, а выход контроллера подключен соответственно к генератору пневматических импульсов, к управляемому мембранному клапану и электроприводу, при этом дыхательный блок снабжен двумя электрическими концевыми выключателями, которые подключены ко второму входу контроллера и смонтированы с возможностью взаимодействия с подвижной крышкой разделительного меха дыхательного блока, в линии выдоха между мембранным клапаном и генератором пневматических импульсов установлен пневматический переключатель, пневматически связанный с выходом блока подачи дыхательной смеси, а импульсный блок питания подключен соответственно к преобразователю давления, третьему входу контроллера, концевым выключателям и электрическому переключателю.