СПОСОБ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК A61H31/02 A61M16/12 A61K31/02 A61P23/00 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в анестезиологии, реаниматологии и интенсивной терапии.

Известны способы искусственной вентиляции легких (ИВЛ) и аппараты для их осуществления. Эти способы и аппараты обеспечивают периодическое перемещение дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками между внешней средой и легкими пациента. Однако использование известных способов и аппаратов ИВЛ неадекватно физиологическим условиям организма, поскольку сопровождается большим количеством патофизиологических процессов, вызывающих опасные для жизни пациентов осложнения. К таким осложнениям, например, относятся:

- неравномерность вентиляции легких;

- нарушение вентиляционно-перфузионных соотношений;

- нарушение венозного возврата к сердцу;

- уменьшение сердечного выброса;

- уменьшение минутного объема кровообращения;

- снижение микроциркуляции в малом круге кровообращения;

- снижение микроциркуляции в большом круге кровообращения;

- периферический венозный стаз;

- нарушение регионарного кровообращения в органах;

- баротравма легочной ткани;

- ателектазы легких;

- пневмонии;

- септические состояния;

- дыхательная недостаточность;

- сердечно-легочная недостаточность;

- сердечно-сосудистая недостаточность.

Несовершенство существующих способов и аппаратов ИВЛ обусловлено тем, что до настоящего времени не решена проблема биомеханики вентиляции легких. Не изучен характер движения газов в каналах дыхательной системы и не раскрыты физические механизмы вентиляции легких в жизнедеятельности организма. Причина вышеперечисленных осложнений заключается в том, что в известных способах и аппаратах ИВЛ не учитываются морфофункциональные особенности дыхательной системы организма, поэтому традиционными способами и аппаратами ИВЛ не воспроизводится природный характер движения газов в трахее, бронхах, бронхиолах и альвеолах на протяжении дыхательного цикла.

Клинико-экспериментальными исследованиями обнаружено универсальное явление образования закрученного потока биологических сред в транспортных системах организма. На примере сердечно-сосудистой, пищеварительной, мочевыделительной, лимфатической и других систем доказано и обосновано существование вращательно-поступательного движения биологических сред в каналах транспортных систем. Оказалось, что такой вид движения обеспечивает оптимальность и эффективность транспортирования биологических сред в организме. Фундаментальными исследованиями в этой области знания обнаружены неизвестные ранее явления и свойства, установлены законы, которым они подчиняются. Данные научные открытия внесли коренные изменения в уровень познания биомеханики транспортных систем живого организма.

Дыхательная система является одной из транспортных систем организма. Традиционные представления о биомеханике дыхания состоят в следующем. Считается, что в физиологических условиях воздух переходит из внешней среды в альвеолы легких вследствие разницы давлений и перемещается из области высокого давления в область низкого давления. Во время спонтанного вдоха дыхательные мышцы увеличивают объем грудной клетки, что вызывает расширение альвеол. В результате давление в них становится ниже атмосферного и наружный воздух равномерно поступает в альвеолы. Однако нет исследований характера потока газов в респираторной системе на протяжении дыхательного цикла в различные его фазы - во время вдоха и во время выдоха. Такие исследования необходимы для раскрытия сущности физических механизмов вентиляции легких и разработки на этой основе дыхательной аппаратуры, адекватной для организма.

Известно, что анатомическое мертвое пространство респираторной системы, включающее объем всех воздухоносных путей, кроме альвеол, в среднем у взрослого человека равно 140 мл. Согласно традиционным представлениям о биомеханике вентиляции легких, при которых рассматривается исключительно поступательное движение воздуха по их воздухоносным каналам, в условиях поверхностного дыхания, когда дыхательный объем равен или меньше объема мертвого пространства, вентиляция легких невозможна. В условиях поверхностного дыхания при рассматриваемом механизме вентиляции легких чистый воздух не проникнет в альвеолы, поскольку он заполнит только мертвое пространство. Однако в физиологических условиях при поверхностном дыхании осуществляется вентиляция альвеол и обеспечивается газообмен, необходимый для жизнедеятельности организма. Это говорит о том, что существует особый физический механизм вентиляции легких, создающий оптимальный и эффективный газообмен между внешней средой и воздухоносными путями легких в целом.

Впервые о винтовом противоточном механизме движения газов в респираторной системе организма сказано в работе «Физические механизмы транспортных систем живого организма», С.Н.Багаев, В.Н.Захаров, В.А.Орлов, препринт №1, Российская Академия Наук, Сибирское Отделение, Новосибирск, 1999, 51 с. «Воздухоносные пути легких устроены так, что имеются все предпосылки для возникновения закрученных потоков газовых сред. Обратное движение отработанных газов начинается уже во время вдоха. При этом выходящая струя обвивает входящую струю, что может быть реализовано при наличии встречных закрученных потоков разнородных газовых смесей. Отработанный газ из альвеол проникает в мертвое пространство дыхательных путей во время вдоха, а далее вытесняется во внешнюю среду в период выдоха. Впервые выдвинута новая концепция противоточного механизма дыхания. Образно этот механизм можно сравнить с работой сверла, когда при вращении оно погружается в металл, а стружка движется в обратную сторону по винтовой линии, обвивая сверло».

С позиций обнаруженного универсального явления образования закрученного потока биологических сред в транспортных системах живого организма проведены целенаправленные анатомо-функциональные исследования респираторной системы.

Во-первых, для изучения конфигурации каналов респираторной системы изготовлены посмертные слепки-отпечатки трахеобронхиального дерева человека и животных (фиг.1). Легкие заполнялись жидкой протакриловой пластмассой. После завершения процесса полимеризации пластмассы удаляли ткани, покрывающие слепок-отпечаток, и проводили анализ объемного отображения полостей трахеобронхиального дерева, конфигурация воздушного пространства которого была зафиксирована в виде протакриловых слепков-отпечатков. Впервые установлены новые анатомические признаки пространственной конфигурации каналов трахеобронхиального дерева:

- тангенциальное правозакрученное ветвление трахеобронхиального дерева;

- правозакрученный спиралевидный рельеф на внутренней поверхности трахеи и бронхов с наклоном спирали под углом 45° относительно продольной оси канала;

- площадь поперечного сечения материнского канала равна сумме площадей поперечных сечений дочерних каналов при дихотомическом ветвлении трахеобронхиального дерева.

Во-вторых, проведены оригинальные модельные эксперименты по визуализации движения разнородных газовых сред в цилиндрических стеклянных трубках различных диаметров. Методика экспериментов заключалась в следующем. В верхнюю часть вертикально стоящей стеклянной трубки вводился дым в виде тумана, исключающий специальную закрутку и турбулентность дыма. В этих условиях в соответствии с законом тяготения дым самопроизвольно равномерно оседал вдоль трубки. По мере оседания фронт движущегося вниз дыма сужался. Далее, когда оседающий поток дыма достигал в поперечнике половины диаметра трубки, возникало самоорганизованное вращение струи дыма в виде винтового потока. В результате вращательно-поступательный поток дыма с ламинарным течением приобретал устойчивый характер. При этом на фоне закрученной струи дыма было заметно восходящее винтовое движение воздуха в направлении, противоположном оседанию дыма. Достоверность обнаруженного явления образования противоточного винтового движения разнородных газовых смесей в стеклянных трубчатых каналах круглого сечения доказана многократно проведенными модельными экспериментами. Наблюдаемое явление иллюстрируется на фиг.2.

В другой серии экспериментов, когда дым помещался в трубке по всей ее длине, также возникало противоточное винтовое движение разнородных газовых смесей, идентичное первой серии экспериментов. При изучении обнаруженного явления установлена закономерная повторяющаяся связь шага винтовой траектории движения газовых смесей с радиусом или диаметром спирали, образованной закрученной струей дыма и обвивающей ее восходящей струей воздуха. Найденная закономерная связь выражается следующим соотношением параметров винтового противоточного движения разнородных газовых смесей:

где Λ - шаг винтовой линии; π - число, равное 3.14, U - поступательная скорость винтового движения; W - вращательная скорость винтового движения; R - внутренний радиус трубки; D - внутренний диаметр трубки.

Исходя из этой формулы шаг винтовой линии в противоточном закрученном потоке газовых смесей определяется исключительно радиусом или диаметром рассматриваемого канала. При этом угол наклона спиралевидной траектории потока газа к оси канала равен 45°. На основании полученных экспериментальных данных были проведены клинические исследования у больных при ИВЛ аппаратом Drager Savina. В одной серии испытаний аппарат работал в обычном традиционно применяемом режиме. В другой серии - в коннектор, соединяющий интубационную трубку с аппаратом ИВЛ, устанавливали шнек в виде изогнутой по винтовой линии прямоугольной тонкой металлической пластины. Строго соблюдался экспериментально найденный шаг винтовой линии для изгиба пластины, равный πD. Это устройство обеспечивало винтовую подачу воздуха в легкие пациентов. Использовали право- и левозакрученные пластины. Критерием эффективности и физиологической адекватности нового способа ИВЛ являлись показатели оксигенации артериальной крови пациентов при неизменном содержании кислорода во вдыхаемом воздухе. Сравнительные результаты проведенных клинических испытаний приведены в таблице 1.

Проведенные клинические испытания показали высокую эффективность предлагаемой ИВЛ с использованием правозакрученной пластины, установленной в коннекторе аппарата ИВЛ, для закрутки воздуха, подаваемого в легкие пациентов. Через 20 минут ИВЛ в таком режиме парциальное напряжение кислорода в артериальной крови пациентов увеличивалось в среднем на 22%, а максимально - на 53%. Различные показатели повышения оксигенации артериальной крови объясняются индивидуальным состоянием легких пациентов. Наибольшее увеличение оксигенации артериальной крови отмечалось у тех пациентов, состояние легких которых было ближе к норме. А меньшие показатели оксигенации артериальной крови отмечались у пациентов с поражением легочной ткани (пневмонии, ателектазы). Не выявлено отличий показателей оксигенации артериальной крови у пациентов с традиционным способом ИВЛ и с применением левозакрученной пластины, устанавливаемой в коннекторе аппарата ИВЛ.

Поскольку дыхательный контур аппарата ИВЛ содержит интубационную трубку, коннектор и два шланга, подсоединяемых к аппарату, целесообразно и необходимо, чтобы дыхательный контур в целом создавал винтовой поток дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками в каналах респираторной системы пациента.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа искусственной вентиляции легких является способ, включающий обеспечение или увеличение вентиляции легких между внешней средой и легкими пациента [Р.И.Бурлаков и др. Искусственная вентиляция легких. М.: «Медицина», 1986, стр.76]. По приведенному способу принудительная подача воздуха осуществляется через дыхательный контур с гладкими стенками каналов. Этот способ по наибольшему количеству сходных с предлагаемым способом признаков принят за прототип изобретения. Недостатками прототипа является то, что он не воспроизводит природный характер движения дыхательных газов в респираторной системе, что значительно снижает эффективность вентиляции легких, газообмена и в итоге приводит к многочисленным патофизиологическим процессам в организме, вызывающим опасные для жизни пациентов осложнения, перечисленные выше.

Изобретение решает задачу создания способа и аппарата искусственной вентиляции легких, воспроизводящих природное физиологическое движение дыхательных газов в легких, повышающих оптимальность и эффективность для организма пациента легочной вентиляции и газообмена и не вызывающих различные патофизиологические процессы, нарушения и осложнения в организме. В нормальных физиологических условиях существует винтовой противоточный механизм движения дыхательного газа и отработанного газа в период вдоха, причем у пациентов с нормальным расположением внутренних органов существует правая закрутка газовых смесей, а у пациентов с зеркальным расположением внутренних органов - левая. При искусственной вентиляции легких необходимо создание условий для воспроизведения природного винтового противоточного механизма движения дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками и отработанного газа в дыхательной системе пациента.

Поставленная задача решается благодаря предлагаемому способу искусственной вентиляции легких, включающему периодическое перемещение дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками между внешней средой и легкими пациента и обеспечивающему вентиляцию легких через дыхательный контур, состоящий из интубационной трубки, коннектора и шлангов. Дыхательный газ и/или его смесь с анестетиками перед подачей в респираторную систему пациента закручивают в дыхательном контуре аппарата ИВЛ по спирали вправо или влево, формируя при этом винтовое противоточное движение подаваемого дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками и отработанного газа в период искусственного вдоха пациента. При этом необходимо подавать дыхательный газ и/или его смесь с анестетиками в дыхательную систему пациента с нормальным расположением внутренних органов с правым направлением вращения, для пациентов с зеркальным расположением внутренних органов - с левым направлением вращения, а шаг винтовой линии закрутки потока должен равняться πD.

Для осуществления этого способа предлагается аппарат искусственной вентиляции легких, включающий дыхательный контур, выполненный из интубационной трубки, коннектора и шлангов, а также увлажнитель, волюметр, распределительное устройство, переключающий механизм, генератор вдоха, ввод сжатого воздуха, наркозный блок, разделительную емкость, регулятор минутной вентиляции легких. Внутренние поверхности каналов шлангов дыхательного контура выполнены спиралевидными с закруткой вправо или влево и шагом винтовой линии, равным πD. Соединительная часть коннектора с интубационной трубкой и сама интубационная трубка дыхательного контура содержат спиралевидно изогнутые разделительные пластины с закруткой вправо или влево, которые делят каналы на две половины и выполнены с шагом винтовой линии, равным πD. При этом для пациентов с нормальным расположением внутренних органов закрутка указанных элементов дыхательного контура аппарата ИВЛ должна быть правой, а для пациентов с зеркальным расположением внутренних органов - левой.

Физиологичность предлагаемого аппарата искусственной вентиляции легких заключается в том, что он воспроизводит природный винтовой противоточный механизм движения дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками и отработанного газа во время вдоха в альвеолах, бронхиолах, бронхах и трахее легких пациента. При этом достигается высокая оптимальность и эффективность легочной вентиляции и газообмена для организма пациента.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области медицины и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

На фиг.1 изображен слепок-отпечаток трахеобронхиального дерева. На фиг.2 изображено явление образования противоточного винтового движения разнородных газовых смесей в цилиндрических стеклянных трубках разного диаметра. На фиг.3 изображена схема аппарата искусственной вентиляции легких, который содержит: 1 - интубационную трубку, 2 - коннектор и 3 - два шланга, объединенные в дыхательный контур, а также 4 - увлажнитель, 5 - волюметр, 6 - распределительное устройство, 7 - переключающий механизм, 8 - генератор вдоха, 9 - ввод сжатого воздуха, 10 - наркозный блок, 11 - разделительную емкость, 12 - регулятор минутной вентиляции легких.

Способ искусственной вентиляции легких осуществляют посредством аппарата следующим образом. При подключении аппарата к пациенту в трахею вводят интубационную трубку 1, которую соединяют с одним из трех цилиндрических каналов коннектора 2. Два других цилиндрических канала коннектора 2 соединены с двумя шлангами 3, которые соединены с увлажнителем 4 и волюметром 5. Увлажнитель 4 и волюметр 5 соединены с распределительным устройством 6, которое соединено с наркозным блоком 10 и вводом сжатого воздуха 9. Переключающий механизм 7 соединен с двумя распределительными устройствами 6 и разделительной емкостью 11. Регулятор минутной вентиляции легких 12 соединен с разделительной емкостью 11 и распределительным устройством 6, которое соединено с генератором вдоха 8.

Интубационная трубка 1, коннектор 2 и шланги 3, объединенные в дыхательный контур, устроены таким образом, что обеспечивают противоточное винтовое движение дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками во время вдоха в альвеолах, бронхиолах, бронхах и трахее. Внутренние поверхности каналов шлангов 3 дыхательного контура выполнены таким образом, что имеют спиралевидный рельеф с закруткой вправо или влево и шагом винтовой линии закрутки, равным πD, где π - число, равное 3.14, D - диаметр канала шланга. Коннектор 2 выполняет роль соединителя двух шлангов 3 с интубационной трубкой 1 и имеет три соединительные части (штуцеры). Соединительная часть коннектора 2 с интубационной трубкой 1 и сама интубационная трубка 1 дыхательного контура содержат спиралевидные разделительные пластины (на схеме - фиг.3 не показано), которые разделяют каналы на две половины и формируют винтовое противоточное движение подаваемого дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками и отработанного газа в период искусственного вдоха пациента. Разделительные пластины в коннекторе и в интубационной трубке выполнены изогнутыми по спирали с шагом винтовой линии, равным πD, где π - число, равное 3.14, D - внутренний диаметр поперечного сечения коннектора и интубационной трубки.

Определенный шаг винтовой линии встречных газовых потоков обеспечивает строгое соотношение вращательной скорости винтового потока и поступательной его скорости. Это соотношение скоростей винтового противоточного движения газовых смесей создает оптимальный уровень вентиляции и газообмена в легких и обеспечивает нормальный уровень жизнедеятельности организма.

Таким образом, предлагаемые способ искусственной вентиляции легких и аппарат для его осуществления обеспечивают винтовое противоточное движение дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками во время вдоха в дыхательной системе пациента. Винтовой противоточный механизм вентиляции легких максимально приближает ИВЛ к естественным физиологическим условиям жизнедеятельности организма. Достигается оптимальная и эффективная вентиляция легких и газообмен. Воспроизведение природного физиологического движения дыхательных газов в респираторной системе устраняет различные патофизиологические процессы и исключает опасные для жизни пациентов осложнения в анестезиологии, реаниматологии и интенсивной терапии.

Изобретение может быть использовано в медицине, преимущественно в анестезиологии, реаниматологии и интенсивной терапии для обеспечения искусственной вентиляции легких.

Источники информации

1. Р.И.Бурлаков и др. Искусственная вентиляция легких. М.: «Медицина», 1986 - прототип.

2. Руководство по анестезиологии. Под ред. А.А.Бунятяна. М.: « Медицина», 1994.

3. Зильбер А.П. Респираторная медицина. Изд. Петрозаводского университета, 1996.

4. Кассиль В.Л. и др. Респираторная поддержка. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких в анестезиологии и интенсивной терапии. Руководство для врачей. М.: «Медицина», 1997.

5. Анестезиология и реаниматология. Под ред. О.А.Долиной. М.: «Медицина», 2002.

СПОСОБ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Сравнительные данные изменения парциального напряжения кислорода в артериальной крови у пациентов с традиционным и новым способом ИВЛ   PaO₂ в мм Hg, традиционный способ РаО₂ в мм Hg, новый способ Увеличение РаO₂ в процентах 1 75,7 82,5 9 2 60,8 93 53 3 51,9 69,2 33 4 74,9 99,5 33 5 56,4 73,6 30 6 66,4 79,1 19 7 60,9 65,8 8 8 68,8 72,3 5 9 56,7 66 16 10 59,2 67,7 14

Группа изобретений относится к медицине, а именно к анестезиологии и реаниматологии, и может быть использована в случаях, обусловленных необходимостью использования искусственной вентиляции легких. Для этого вентиляцию легких осуществляют посредством использования аппарата искусственной вентиляции легких, включающего дыхательный контур, состоящий из интубационной трубки, соединенной с помощью коннектора со шлангами. При этом коннектор имеет три соединительных части с каналами, две из которых соединены со шлангами. Внутренние поверхности каналов шлангов выполнены со спиралевидной закруткой вправо или влево и шагом винтовой линии, равным πD, где π - число, равное 3,14, D - диаметр каналов шлангов. Один из каналов коннектора соединен с интубационной трубкой, снабженной спиралевидной разделительной пластиной, которая делит канал трубки на две половины и выполнена с шагом винтовой линии, равным πD. Также аппарат содержит распределительное устройство, переключающий механизм, генератор вдоха и ввод сжатого воздуха. Через дыхательный контур осуществляют периодическое перемещение дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками между внешней средой и легкими пациента. При этом в период искусственного вдоха пациента дыхательному газу и/или его смеси с анестетиками перед подачей в респираторную систему пациента, а также отработанному газу в интубационной трубке и/или в шлангах обеспечивают винтовое противоточное движение вправо или влево. Причем в дыхательную систему пациентам с нормальным расположением внутренних органов подают дыхательный газ с правым направлением вращения, а для пациентов с зеркальным расположением внутренних органов - с левым направлением вращения. Изобретения позволяют обеспечить оптимальную и эффективную легочную вентиляцию и газообмен за счет воспроизведения во время вдоха спиралевидного движения газа, которое является наиболее физиологичным и позволяет достичь альвеол и мелких бронхиол. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ искусственной вентиляции легких, включающий периодическое перемещение дыхательного газа и/или его смеси с анестетиками между внешней средой и легкими пациента и обеспечивающий вентиляцию легких через дыхательный контур, состоящий из интубационной трубки, коннектора и шлангов, отличающийся тем, что в период искусственного вдоха пациента дыхательному газу и/или его смеси с анестетиками перед подачей в респираторную систему пациента, а также отработанному газу обеспечивают винтовое противоточное движение в интубационной трубке и/или в шлангах дыхательного контура вправо или влево, при этом в дыхательную систему пациентам с нормальным расположением внутренних органов подают дыхательный газ с правым направлением вращения, а для пациентов с зеркальным расположением внутренних органов - с левым направлением вращения.

2. Аппарат искусственной вентиляции легких, включающий дыхательный контур, выполненный из интубационной трубки, коннектора и шлангов, а также распределительное устройство, переключающий механизм, генератор вдоха, ввод сжатого воздуха, отличающийся тем, что интубационная трубка соединена со шлангами посредством коннектора, имеющего три соединительные части с каналами, две из которых соединены со шлангами, при этом внутренние поверхности каналов шлангов выполнены со спиралевидной закруткой вправо или влево и шагом винтовой линии, равным πD, где π - число, равное 3,14, D - диаметр каналов шлангов, а один канал коннектора соединен с интубационной трубкой, снабженной спиралевидной разделительной пластиной, которая делит канал трубки на две половины и выполнена с шагом винтовой линии, равным πD, где π - число, равное 3,14, D - диаметр канала.