УСТРОЙСТВО ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ С ДАТЧИКОМ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2020 года по МПК A61M16/00 A61B5/87 

Данное изобретение касается устройства искусственной вентиляции легких, а также способа искусственной вентиляции легких. В частности, имеется в виду применение в мобильных аппаратах для экстренной искусственной вентиляции легких.

В случае недостаточности или отсутствия самостоятельного дыхания у нуждающегося в кислороде живого существа, работа дыхания как мера по сохранению жизни должна производиться третьим лицом либо вручную, например, путем искусственного дыхания «рот-в рот» или с помощью дыхательного мешка, либо аппаратно - с помощью аппарата искусственной вентиляции легких, чтобы обеспечить газообмен в легких и таким образом обеспечивать кислородом, а также выводить C0₂.

Одним надежным методом согласно уровню техники является аппаратная искусственная вентиляция легких, которая в форме аппаратов искусственной вентиляции легких относится к медицинскому оснащению служб спасения и персонала клиник.

Современные аппараты и методы искусственной вентиляции легких с их важными функциями контроля объема и/или давления предлагают эффективную и одновременно щадящую искусственную вентиляцию легких пациента. Слишком высокое давление может повредить легочную ткань, тогда как слишком маленький объем легочной вентиляции сопровождается недостатком кислорода. Частота искусственной вентиляции легких у известных аппаратов искусственной вентиляции легких тоже может быть точно согласована с международными нормами, которые должны гарантировать эффективную искусственную вентиляцию легких также и в случае реанимационных мероприятий.

Для надежного и точного регулирования объемного расхода и давления искусственной вентиляции легких с помощью аппарата искусственной вентиляции легких эти параметры должны достаточно точно определяться во всем своем динамическом диапазоне. С учетом определения данного объемного расхода с обычной системой измерения методом измерения разности давлений в смысле простой диафрагмы или простого сопротивления возникает квадратичная зависимость, которая в диапазоне низких объемных расходов вызывает лишь незначительные изменения измеряемой разности давлений, что означает более низкую разрешающую способность, чем при больших объемных расходах.

Определение объемного расхода дыхательного газа в линии дыхательного газа в аппаратах искусственной вентиляции легких происходит как правило с помощью устройства измерения разности давлений, которое имеет по меньшей мере один участок измерения разности давлений и датчик разности давлений. Этот участок измерения разности давлений в зависимости от объемного расхода дыхательного газа, текущего через указанный участок измерения разности давлений, создает на измерительных выходах разность давлений, которая определяется с помощью датчика разности давлений и при необходимости оцифровывается. Характеристическая кривая объемный расход/разность давлений устройства измерения разности давлений складывается, тем самым, по меньшей мере из характеристической кривой объемный расход/разность давлений указанного участка измерения разности давлений и характеристической кривой датчика разности давлений.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать устройство искусственной вентиляции легких, которое содержит устройство измерения разности давлений, имеющее улучшенную характеристическую кривую «объемный расход/разность давлений» для определения объемного расхода в проточном канале аппарата искусственной вентиляции легких, так что обеспечивается лучшая разрешающая способность в диапазоне небольших объемных расходов.

Эта задача, согласно изобретению, решается тем, что устройство искусственной вентиляции легких имеет устройство измерения разности давлений, и с помощью участка измерения разности давлений может быть реализована улучшенная характеристическая кривая объемный расход/разность давлений.

Предлагаемое изобретением устройство искусственной вентиляции легких содержит линию дыхательного газа, через которую дыхательный газ может направляться к пациенту. В эту линию дыхательного газа в отдельных областях интегрирован участок для определения давления, который образован как участок измерения разности давлений. В одном предпочтительном варианте выполнения данного изобретения этот участок для определения давления интегрирован в адаптер, который может вставляться в линию дыхательного газа.

В одном предпочтительном варианте выполнения данного изобретения, адаптер помимо участка измерения разности давлений дополнительно содержит предохранительный редукционный клапан, посредством которого может быть реализовано быстрое выравнивание давления в случае повышенного давления в линии дыхательного газа.

Участок измерения разности давлений имеет проточный канал, который в одном предпочтительном варианте данного изобретения выполнен, по существу, кольцевым или в виде сегмента кольца, и на своей лежащей радиально снаружи ограничительной поверхности имеет два измерительных отверстия. К этим измерительным отверстиям примыкают соответствующие, интегрированные в патрубок для измерения давления, выполненные трубчатыми измерительные линии, каждая из которых ведет к одному измерительному выходу участка измерения разности давлений. Далее, возможна также реализация проточного канала в форме гильзы и/или по типу стенки полого цилиндра.

Указанные измерительные линии по меньшей мере в области измерительных отверстий имеют существенную составляющую, направленную тангенциально к внешней ограничительной поверхности проточного канала. Далее, проточный канал участка измерения разности давлений в одном предпочтительном варианте выполнения данного изобретения имеет меньшее поперечное сечение, чем примыкающая линия дыхательного газа.

С указанными измерительными выходами может соединяться блок измерения разности давлений, который с помощью по меньшей мере одного датчика разности давлений или по меньшей мере двух простых датчиков давления и других электронных компонентов, как например, аналого-цифрового преобразователя, преобразует аналоговые значения давления в цифровые измеренные значения и делает их пригодными для анализа. Точно так же, согласно изобретению, возможно применение блока измерения разности давлений, реализованного как датчик разности давлений с цифровым интерфейсом для выдачи измеренных значений давления.

Указанные измерительные отверстия расположены в проточном канале участка измерения разности давлений таким образом, что при заданном направлении расхода на первом измерительном выходе, расположенном в направлении расхода перед вторым измерительным выходом, вследствие возникающего между этими измерительными отверстиями трения в расходе у стенки между дыхательным газом и проточным каналом, выпадает меньшее статическое давление, чем на втором измерительном выходе, расположенном в направлении расхода за указанным первым измерительным выходом. Благодаря тому, что измерительные линии в области измерительных отверстий имеют существенную тангенциальную составляющую, то поперечное сечение измерительных отверстий увеличено по сравнению с поперечным сечением этих измерительных линий в поверхности проточного канала.

В одном предпочтительном варианте выполнения данного изобретения ориентация этих измерительных линий лежит по меньшей мере в области измерительного отверстия на проточном канале в угловом диапазоне от 0° до 60°, измеренном от оси, заданной посредством локальной касательной, в направлении перпендикулярной ей оси, проходящей в радиальном направлении. Угол, равный 0°, при этом соответствует полностью тангенциальной ориентации, а угол, равный 90°, соответствует полностью радиальной ориентации измерительной линии относительно лежащей радиально снаружи ограничительной поверхности проточного канала, выполненного кольцевым или в форме сегмента кольца. В одном особенно предпочтительном варианте выполнения данного изобретения ориентация измерительной линии лежит по меньшей мере в области измерительного отверстия на проточном канале в угловом диапазоне от 0° до 45° соответственно относительно вышеназванных осей.

Далее, первое измерительное отверстие расположено на внешнем периметре проточного канала таким образом, что текущая через проточный канал дыхательный газ увлекает с собой газ из этого отверстия и подобно принципу Вентури или, соответственно, подобно струйному насосу создает локальный компонент пониженного давления на первом измерительном выходе, который зависит от скорости расхода дыхательного газа. Второе измерительное отверстие расположено на внешнем периметре проточного канала таким образом, что эта текущая через проточный канал дыхательный газ нагнетается в него и тем самым создает зависящий от скорости расхода локальный компонент повышенного давления на втором измерительном выходе. Вследствие зависимости от скорости расхода вышеуказанные компонент пониженного давления и компонент повышенного давления определяются как динамические компоненты давления.

Локальное наложение статического и динамического давления ведет к изменению разности давлений, фактически измеряемой на выводах. Измеряемое давление падает на стороне более высокого статического давления и возрастает на стороне более низкого статического давления.

Измеряемое давление представляет собой сумму статического давления и динамического давления в соответствующей точке измерения:

р_total=р_stau+р_stat

Вследствие различного локального наложения статического и динамического давлений, измеряемая разность давлений меньше, чем собственно разность статических давлений на обоих измерительных выходах:

р_stat1+р_stat2 > р_total1+р_total2

Измеряемая разность давлений с увеличением скорости расхода снижается сильнее, вследствие чего характеристическая кривая уплощается. Небольшие потоки производят незначительный эффект, а большие потоки соответственно вызывают больший эффект.

При известном поперечном сечении проточного канала по разности общих давлений, складывающихся соответственно из компонентов статического и динамического давлений, на измерительных выходах можно сделать вывод об объемном расходе и регулировать его в соответствии с требованиями.

Разность давлений вследствие соответствующего наложения динамического и статического давлений при образованном согласно изобретению измерительном участке измерения разности давлений показывает, по сравнению с обычным измерительным участком измерения разности давлений с простой диафрагмой или простым сопротивлением, улучшенную в отношении разрешающей способности при небольших объемных расходах характеристическую кривую, которая приближает характеристическую кривую системы - т.е. комбинацию характеристических кривых измерительного участка и датчика (датчиков) давления - к линейной характеристической кривой.

В предпочтительных вариантах выполнения данного изобретения характеристические кривые системы могут быть реализованы между линейной характеристической кривой, соответствующей форме (ходу/характеристике) ax¹+b, и характеристической кривой, соответствующей форме (ходу/характеристике) a x^1,5+b. В одном особенно предпочтительном варианте выполнения характеристическая кривая может быть реализована с формой (ходом) между a x¹+b и примерно a x^1,3+b. В зависимости от используемого датчика давления коэффициент b может быть примерно равен 0.

Предлагаемое изобретением улучшение передаточной характеристики устройства измерения разности давлений реализовано, тем самым, путем согласования характеристической кривой объемный расход/разность давлений участка измерения разности давлений.

Предлагаемый изобретением способ искусственной вентиляции легких характеризуется тем, что для искусственной вентиляции легких используется устройство согласно независимому пункту 1 формулы изобретения.

Далее, предлагаемый изобретением способ искусственной вентиляции легких в одном предпочтительном варианте выполнения характеризуется тем, что определение объемного расхода дыхательного газа производится с помощью устройства измерения разности давлений, которое содержит участок измерения разности давлений , в котором создается разность давлений, зависящий от объемного расхода дыхательного газа, и который содержит датчик разности давлений, определяющий разность давлений и переводящий в электронную величину, и данный объемный расход дыхательного газа с помощью микроконтроллера определяется по этой электронной величине, выработанной датчиком разности давлений.

Кроме того, предлагаемый изобретением способ искусственной вентиляции легких в одном особенно предпочтительном варианте выполнения характеризуется тем, что используемый для определения объемного расхода дыхательного газа участок измерения разности давлений содержит измерительные патрубки, которые таким образом соединены посредством фланцев к измерительному каналу, что ориентация этих измерительных линий по меньшей мере в области измерительных отверстий имеет существенную составляющую, проходящую тангенциально к внешней ограничительной поверхности проточного канала и/или к направлению основного потока дыхательного газа в проточном канале.

Различные примеры осуществления и варианты выполнения данного изобретения отображены на прилагаемых чертежах. На них показано следующее.

Фиг. 1: предлагаемый изобретением аппарат искусственной вентиляции легких, вид в перспективе,

Фиг. 2: блок-схема предлагаемого изобретением устройства измерения разности давлений аппарата искусственной вентиляции легких,

Фиг. 3: вид в перспективе выполненного согласно изобретению участка измерения разности давлений, интегрированного в адаптер,

Фиг. 4: вид сверху в разрезе адаптера в области участка измерения разности давлений и

Фиг. 5: типичная форма (ход) характеристических кривых для измерения объемного расхода.

На Фиг. 1 показано изображение в перспективе предлагаемого изобретением устройства искусственной вентиляции легких (A), имеющего напорный патрубок (B) для присоединительного элемента к источнику кислорода, присоединительный элемент для дыхательного шланга (C), через который дыхательный газ может подаваться к маске для искусственной вентиляции легких, и комбинированный присоединительный элемент для кислородного шланга (D), и систему (E) измерительных шлангов, выполненную как шланг для измерения давления и управляющий шланг для положительного давления в конце выдоха (ПДКВ) (PEEP). Далее, устройство (A) искусственной вентиляции легких имеет присоединительный элемент (F) для вспомогательных устройств, дисплей (G), элемент (H) управления, выполненный в виде ручки настройки, и впуск (I) воздуха, а также выпуск (J) для воздуха.

На Фиг. 2 представлена фрагментарно блок-схема одного предлагаемого изобретением варианта выполнения устройства (A) искусственной вентиляции легких). Показанный фрагмент касается устройства (100) измерения разности давлений, относящегося к предлагаемому данным изобретением устройству (A) искусственной вентиляции легких. Дыхательный газ с объемным расходом (V) течет через впускное отверстие (3) в участок (1) измерения разности давлений , имеющий проточный канал (4), и в конце проточного канала (4) вытекает из него через выпускное отверстие (5). В участке (1) измерения разности давлений объемный расход (V) создает локальные давления, которые через два измерительных отверстия (6) через соответствующую измерительную линию (11) прикладываются к соответствующему измерительному выходу (8). С измерительными входами (8) соединен датчик (12) разности давлений, который определяет давления, и данные которого в представленном примере осуществления к тому же оцифровываются. Эти измеренные данные давления с помощью микроконтроллера (14) через интерфейс (13), который реализован как интерфейс I2C, считываются с датчика (12) разности давлений. С привлечением параметров системы по цифровым измеренным данным давления с помощью микроконтроллера (14) может определяться объемный расход (V) дыхательного газа и использоваться для регулирования.

На Фиг. 3 показан в перспективе вид в разрезе одного предлагаемого изобретением варианта выполнения участка (1) измерения разности давлений, интегрированного в адаптер (2). Этот участок (1) измерения разности давлений содержит имеющее форму сегмента круга впускное отверстие (3), через которое дыхательный газ с регулируемым посредством устройства (A) искусственной вентиляции легких давлением и/или объемным расходом (V) втекает в участок (1) измерения разности давлений . Из этого впускного отверстия (3) дыхательный газ направляется через проточный канал (4), который выполнен по типу сегмента кольца и имеет прямоугольное поперечное сечение. Со своей верхней стороны проточный канал (4) ограничен и герметизирован не представленной здесь крышкой. На другом своем конце проточный канал (4) имеет выпускное отверстие (5), через которое дыхательный газ удаляется из проточного канала (4).

В частности, возможно прямоугольное, квадратное или круглое поперечное сечение проточного канала (4), так как свойства расхода для выполненных таким образом каналов известны, и такое поперечное сечение можно просто рассчитать. Однако, возможны и другие формы поперечного сечения для проточного канала (4) участка (1) измерения разности давлений устройства (A) искусственной вентиляции легких, предлагаемого изобретением.

На лежащей радиально снаружи ограничительной поверхности проточного канала (4) расположены два измерительных отверстия (6). К измерительным отверстиям (6) примыкают патрубки (7) для измерения давления, которые установлены с существенной тангенциальной составляющей направления относительно локального направления основного потока дыхательного газа. На другом конце эти патрубки (7) для измерения давления имеют по одному измерительному выходу (8), к которому может подсоединяться блок измерения давления. На адаптере (2), в который интегрирован участок (1) измерения разности давлений, расположены лежащие радиально снаружи три крепежных устройства (9), которые выполнены как винтовая нарезка и служат для надежного крепления адаптера (2) внутри устройства (A) искусственной вентиляции легких.

Далее, в области впускного отверстия (3) участка (1) измерения разности давлений установлен подпружиненный предохранительный клапан (10), который при повышенном давлении в линии дыхательного газа открывается и снижает давление.

На Фиг. 4 показан вид в разрезе участка (1) измерения разности давлений. Проточный канал (4) в радиальном направлении с внутренней и с наружной стороны ограничен материалом адаптера (2) с образованием контура в форме сегмента кольца. За счет кольцеобразного выполнения проточного канала (4) реализуется особенно компактная конструктивная форма (1). К тому же, представленное размещение патрубков (7) для измерения давления и, соответственно, указанных измерительных линий (11) внутри патрубков (7) для измерения давления с существенной тангенциальной составляющей направления относительно локального направление основного потока (S) дыхательного газа и, соответственно, относительно локальной внешней ограничительной поверхности этого проточного канала (4) в области измерительного отверстия (6) может быть реализовано особенно предпочтительным образом.

Локально (в области измерительного отверстия) тангенциально ориентированная ось (T) с локально радиально ориентированной осью (R) образует плоскость, в которой проходит ориентация (M) измерительной линии (11) в диапазоне от 0° до 60° относительно указанной тангенциально ориентированной оси (T).

Внутри выполненного в виде сегмента кольца проточного канала (4) указанное локальное направление основного потока (S) дыхательного газа ориентировано, по существу, тангенциально к окружности лежащего радиально снаружи ограничения канала. Если указанные измерительные линии (11) по меньшей мере в области измерительных отверстий (6) расположены с существенной составляющей направления (M) в этом тангенциальном направлении T, то это согласно изобретению влияет на характеристическую кривую объемный расход/разность давлений участка (1) измерения разности давлений таким образом, что эта характеристическая кривая объемный расход/разность давлений устройства измерения разности давлений от известной квадратичной зависимости характеристической кривой приближается в направлении линейной характеристической кривой.

На Фиг. 5 показана диаграмма с различными характеристическими кривыми «объемный расход/разность давлений», каждая из которых представляет собой системную кривую по участку для определения разности давлений и датчикам давления. На этом изображении установлен диапазон измерения объемного расхода 20 л/мин STPD (Standard Temperature and Pressure Dry), к которому стремятся, и посредством используемого датчика разности давлений задан максимальный диапазон измерения 500 Пa.

Разность давлений возрастает линейно для идеальной разрешающей способности (dP1). В этом случае указанные разности давлений уже в нижнем диапазоне объемного расхода достаточно велики, чтобы иметь хорошую разрешающую способность.

В обычном участке измерения разности давлений (простая диафрагма или простое сопротивление) типичным оказалось, что разность давлений пропорционален квадрату объемного расхода (dP2). В этом случае измеренные значения разности давлений в нижнем диапазоне объемного расхода очень малы.

Описанная здесь предлагаемая изобретением конструкция при простой структуре обеспечивает характеристическую кривую (разность давлений по объемному расходу), при которой разность давлений примерно пропорционален объемному расходу в степени 1,5 (dP1,5).

Измерение давления с помощью предлагаемого изобретением устройства измерения разности давлений показало характеристическую кривую объемный расход/разность давлений, пропорциональную степени 1,3 (dPA).

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к устройству (A) искусственной вентиляции легких и способу для измерения разности давлений в устройстве искусственной вентиляции легких. Устройство содержит участок (1) измерения разности давлений и датчик (12) разности давлений. Участок (1) измерения разности давлений содержит проточный канал (4) с двумя расположенными между впускным отверстием (3) и выпускным отверстием (5) проточного канала (4) измерительными отверстиями (6), к которым присоединяются измерительные линии (11), расположенные в патрубках (7). Дыхательный газ направляется из впускного отверстия (3) в направлении основного потока (S) через проточный канал (4) к выпускному отверстию (5). Посредством участка (1) измерения разности давлений в сочетании с датчиком (12) разности давлений реализуется характеристическая кривая «объемный расход - разность давлений», которая находится между линейной и описываемой через a⋅x^1,5+b формой. Проточный канал (4) в направлении основного потока (S) дыхательного газа через проточный канал (4) выполнен кольцевым и/или в виде сегмента кольца, и/или в виде гильзы, и/или в виде стенки полого цилиндра. Измерительные патрубки (7) таким образом соединены посредством фланцев к проточному каналу (4), что ориентация (M) измерительных линий (11) в области измерительных отверстий (6) имеет существенную составляющую, проходящую тангенциально к внешней ограничительной поверхности проточного канала (4) и/или к направлению основного потока (S) дыхательного газа в проточном канале (4). Ориентация (M) измерительной линии (11) в области измерительного отверстия (6) лежит в угловом диапазоне от 0º до 60º относительно оси (T), ориентированной тангенциально к локальному направлению основного потока (S) дыхательного газа в проточном канале (4) и/или к лежащей радиально снаружи ограничительной поверхности проточного канала (4), внутри плоскости, проходящей от тангенциально ориентированной оси (T) и до радиально ориентированной оси (R). В способе для измерения разности давлений в устройстве искусственной вентиляции легких используют устройство (A) искусственной вентиляции легких. Техническим результатом является улучшенная характеристическая кривая «объемный расход/разность давлений» для определения объемного расхода в проточном канале аппарата искусственной вентиляции легких, так что обеспечивается лучшая разрешающая способность в диапазоне небольших объемных расходов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (A) искусственной вентиляции легких, содержащее по меньшей мере один участок (1) измерения разности давлений и датчик (12) разности давлений, причем участок (1) измерения разности давлений содержит проточный канал (4) с по меньшей мере двумя расположенными между впускным отверстием (3) и выпускным отверстием (5) проточного канала (4) измерительными отверстиями (6), к которым присоединяются измерительные линии (11), расположенные в патрубках (7), причем дыхательный газ направляется из впускного отверстия (3) в направлении основного потока (S) через проточный канал (4) к выпускному отверстию (5), причем посредством участка (1) измерения разности давлений в сочетании с датчиком (12) разности давлений реализуется характеристическая кривая «объемный расход - разность давлений», которая находится между линейной и описываемой через a⋅x^1,5+b формой, отличающееся тем, что проточный канал (4), в направлении основного потока (S) дыхательного газа через проточный канал (4), выполнен по меньшей мере частично кольцевым и/или в виде сегмента кольца, и/или в виде гильзы, и/или в виде стенки полого цилиндра, причем измерительные патрубки (7) таким образом соединены посредством фланцев к проточному каналу (4), что ориентация (M) измерительных линий (11) по меньшей мере в области измерительных отверстий (6) имеет существенную составляющую, проходящую тангенциально к внешней ограничительной поверхности проточного канала (4) и/или к направлению основного потока (S) дыхательного газа в проточном канале (4), и причем ориентация (M) измерительной линии (11) по меньшей мере в области измерительного отверстия (6) лежит в угловом диапазоне от 0° до 60° относительно оси (T), ориентированной тангенциально к локальному направлению основного потока (S) дыхательного газа в проточном канале (4) и/или к лежащей радиально снаружи ограничительной поверхности проточного канала (4), внутри плоскости, проходящей от тангенциально ориентированной оси (T) и до радиально ориентированной оси (R).

2. Устройство по меньшей мере по п. 1, отличающееся тем что при определенном направлении потока дыхательного газа через проточный канал (4) участка (1) измерения разности давлений в области первого измерительного отверстия (6a) имеет место статическое давление и динамическое пониженное давление, зависящее от объемного расхода (V), а в области второго измерительного отверстия (6b) имеет место статическое давление и динамическое повышенное давление, зависящее от объемного расхода (V).

3. Устройство по меньшей мере по любому из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что ориентация (M) измерительной линии (11) в области измерительного отверстия (6) для первого измерительного отверстия (6a) реализована в направлении, встречном направлению основного потока (S), а для второго измерительного отверстия (6b) реализована в направлении основного потока (S).

4. Устройство по меньшей мере по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно выполнено как аппарат для экстренной искусственной вентиляции легких.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно выполнено как мобильный аппарат для экстренной искусственной вентиляции легких.

6. Способ для измерения разности давлений в устройстве искусственной вентиляции легких, отличающийся тем, что используют устройство по п. 1.

7. Способ для измерения разности давлений в устройстве искусственной вентиляции легких по п. 6, отличающийся тем, что определение объемного расхода (V) дыхательного газа осуществляют с помощью устройства (100) измерения разности давлений, содержащего участок (1) измерения разности давлений, в котором создается разность давлений, зависящая от объемного расхода (V) дыхательного газа, и содержащего датчик (12) разности давлений, который определяет разность давлений и преобразует в электронную величину, и причем данный объемный расход (V) дыхательного газа с помощью микроконтроллера (14) определяют по электронной величине, генерируемой датчиком (12) разности давлений.