АВТОМАТИЧЕСКОЕ CPR-УСТРОЙСТВО
AUTOMATIC CPR-DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к автоматическому CPR-устройству для циклического сжатия грудной клетки пациента.
Уровень техники
Сердечно-легочная реанимация (CPR) является известным и важным способом первой помощи. CPR используется для того, чтобы реанимировать людей, которые пострадали от остановки сердца вследствие сердечного приступа, поражения электрическим током, повреждения грудной клетки и многих других причин. Во время остановки сердца сердце прекращает прокачивать кровь, и человек, испытывающий остановку сердца, через небольшой промежуток времени испытывает нарушение работы головного мозга вследствие недостаточного кровоснабжения мозга. Таким образом, CPR требует периодически повторяющегося непрямого массажа сердца, чтобы сжимать сердце и грудную полость, чтобы прокачивать кровь через тело. Широко отмечается, что CPR и непрямой массаж сердца помогают спасать пострадавших от остановки сердца, в частности, если применяются сразу после остановки сердца.
Непрямой массаж сердца требует, чтобы человек, выполняющий непрямой массаж сердца, многократно нажимал на грудину пострадавшего при 80-100 сжатиях в минуту. Тем не менее, когда непрямой массаж сердца требуется в течение длительного времени, трудно, если не невозможно, поддерживать надлежащее сжатие сердца и реберного каркаса грудной клетки. Даже опытные медработники не могут выполнять надлежащий непрямой массаж сердца больше нескольких минут.
Поскольку качество CPR является очень важным для выживания пациента, существует потребность в механическом, автоматическом CPR-устройстве, чтобы заменять менее надежный и длительный непрямой массаж сердца вручную. Эти устройства сжимают и ослабляют давление на грудную клетку субъекта циклическим способом. Одно такое автоматическое CPR-устройство описано в EP1915980. Передаточный механизм преобразует попеременное вращательное движение попеременно вращающегося элемента в линейное возвратно-поступательное движение в реанимационном устройстве. Попеременно вращающийся элемент подает энергию вращения, например, от привода или гидравлической системы. Основной недостаток EP1915980 состоит в том, что привод не работает около наиболее оптимальной рабочей области. Это не самое оптимальное решение для автоматического CPR-устройства, когда потребляемая мощность не является оптимальной вследствие рассогласования характеристик привода и грудной клетки человека. Поскольку автоматическое CPR-устройство должно быть портативным, вес и энергетическая отдача являются важными факторами. Необходимо учитывать следующее.
Чтобы применять автоматическую CPR, грудная клетка должна прижиматься с определенным требуемым трапециевидным профилем смещения. Пример такого профиля проиллюстрирован на фиг.1. Это требуемая форма сигнала сжатия для частоты в 90 сжатий в минуту. Требуемая сила, необходимая для того, чтобы получать форму сигнала сжатия на фиг.1, показана на фиг.2.
Взаимосвязь приложенной силы и сжатия грудной клетки человека показана на фиг.3. Первые три сантиметра сжатия грудная клетка является довольно податливой и относительно небольшая сила является достаточной. Для больших глубин сжатия грудная клетка становится очень жесткой и требуемая сила значительно увеличивается.
Важным аспектом потребляемой мощности является периодически повторяющееся ускорение и замедление привода, чтобы получать требуемый профиль сжатия, показанный на фиг.1. Типично привод должен изменять число об/мин практически от нуля приблизительно до 5000 об/мин, замедляться до 0 об/мин и снова ускоряться в обратном направлении до 5000 об/мин, а затем тормозить до 0 об/мин. Большое угловое ускорение требует большого крутящего момента и, следовательно, большого тока и как можно меньшего момента инерции. Минимизация момента инерции, а также требуемой угловой скорости и ускорения для конкретного профиля сжатия окупается в уменьшенной потребляемой мощности.
Сначала рассмотрим систему с бесщеточным приводом постоянного тока, возбуждаемым посредством управляемого током сервоусилителя с данной совместимостью по напряжению. Самое высокое число об/мин и крутящий момент привода определяются посредством максимального напряжения и тока соответственно. Передаточное число T между углом привода или числом оборотов привода и положением X подушки для грудной клетки предполагается постоянным. Когда T является небольшим, привод работает при очень высоком числе об/мин n и имеет небольшой крутящий момент. Следовательно, быстрое ускорение подушки для грудной клетки является возможным, но большие моменты и силы не могут прикладываться. Это является приемлемым для небольшой глубины сжатия, но при большей глубине сжатия реактивная сила и реактивный момент являются очень большими. Следовательно, привод не может эффективно предоставлять этот высокий крутящий момент и требуемая глубина сжатия не достигается, в то время как очень большой ток потребляется; следовательно, работа привода является неэффективной.
Для большого T привод работает при низком числе об/мин n. Следовательно, ускорение подушки для грудной клетки является низким и высокий момент и большая сила могут предоставляться. Для высокого ускорения требуется большое напряжение привода и привод не находится в самой эффективной области. Для оптимальной эффективности продемонстрировано, что привод должен работать приблизительно при 80-85% от своей максимальной угловой скорости. Импульс сжатия с коротким временем нарастания приблизительно в 100 мс, тем не менее, требуется для высококачественной CPR; следовательно, большое T не является приемлемым.
Из вышеуказанного очевидно, что корректный выбор T не является простым. Необходим компромисс между ускорением и требуемой силой; как следствие, нерегулируемый привод не является оптимальным для очень нелинейной механической нагрузки на человека. Кроме того, оптимальное T может значительно варьироваться в зависимости от конкретного человека, поскольку существует высокая вариативность свойств грудной клетки в зависимости от конкретного человека.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание автоматического CPR-устройства, которое работает в более оптимальной рабочей области, т.е. которое является более эффективным по энергетической отдаче.
Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к автоматическому CPR-устройству для циклического сжатия грудной клетки пациента, содержащему:
фронтальную конструкцию с первым и вторым подвижными модулями, выполненными с возможностью перемещения вперед-назад вдоль упомянутой фронтальной конструкции;
опору для спины для размещения за спиной пациента, выполненную с возможностью поддерживать фронтальную конструкцию в зафиксированном положении относительно спины пациента;
подушку для грудной клетки;
два рычага, каждый из которых соединен с возможностью поворота с подушкой для грудной клетки одним концом и каждый из которых соединен с возможностью поворота с соответствующим одним из первого и второго подвижных модулей; и
средство привода, выполненное с возможностью, при работе, привода в действие первого и второго подвижных модулей вперед-назад так, что подушка для грудной клетки циклически сжимает грудную клетку пациента.
Существует несколько преимуществ CPR-устройства согласно настоящему изобретению. Начиная с верхнего положения подушки для грудной клетки, вертикальное смещение подушки для грудной клетки превышает горизонтальное смещение подвижных модулей. Это является предпочтительным для ускорения привода, поскольку относительно минимальное изменение угла привода требуется для того, чтобы получать относительно большое перемещение подушки для грудной клетки. Компромисс состоит в том, что надлежащим образом уменьшается сила в вертикальном направлении. С увеличением вертикального смещения подушки для грудной клетки угол между двумя рычагами снижается, и, как результат, соотношение между вертикальным и горизонтальным смещением снижается, и соотношение между силами в вертикальном и горизонтальном направлении возрастает. Привод имеет за счет этого переменное соотношение между смещением и силой как функцию от глубины сжатия. При небольшой глубине сжатия достигаются небольшая сила и высокое ускорение, а при большей глубине сжатия достигаются более высокая предоставляемая сила и низкое ускорение, требуемым образом. Передаточное число тем самым является небольшим в начальной фазе сжатия, и оно увеличивается с глубиной сжатия. Поскольку передаточное число варьируется как функция от глубины сжатия непрерывным способом, оно, таким образом, может описываться как непрерывно регулируемый привод. Такой привод является наилучшим выбором для очень нелинейной механической нагрузки на человека, и он упрощает лечение людей, имеющих варьирующиеся свойства грудной клетки. Таким образом, CPR-устройство работает в более оптимальной рабочей области, т.е. оно является более эффективным по энергетической отдаче и потребляет меньше мощности. Следовательно, требуется более компактный аккумулятор, за счет чего достигается экономия по весу и размеру CPR-устройства согласно изобретению. Такая V-образная конфигурация привода, следовательно, удовлетворяет потребности в приводе автоматического CPR-устройства.
В предпочтительном варианте осуществления фронтальная конструкция автоматического CPR-устройства содержит ведомый шпиндель с резьбой, и упомянутые первый и второй подвижные модули выполнены с возможностью зацепляться со шпинделем с резьбой так, чтобы перемещаться вперед-назад вдоль упомянутой фронтальной конструкции. Использование шпинделя с резьбой или винтообразной конфигурацией обеспечивает возможность быстрого и точного управления подвижными модулями и, следовательно, подушкой для грудной клетки относительно грудной клетки пациента. Таким образом, вращательное движение шпинделя, приводимого посредством, например, вращательного привода, преобразуется в поступательное или линейное движение подушки для грудной клетки. Этот вариант осуществления дает возможность подвижным модулям зацепляться с несколькими шпинделями при необходимости.
В другом предпочтительном варианте осуществления шпиндель содержит две части с противоположным направлением хода так, чтобы перемещать упомянутые первый и второй подвижные модули в противоположных направлениях. Преимущественно может использоваться один шпиндель, имеющий две части с противоположной резьбой, так что приводное вращение шпинделя в одном направлении сдвигает подвижные модули друг к другу, а приводное вращение в противоположном направлении отодвигает их друг от друга. Соответственно, подушка для грудной клетки сжимает и ослабляет давление на грудную клетку пациента. Использование только одного шпинделя обеспечивает экономию по весу и стоимости, дает возможность получать простую конструкцию с одним приводом, приводящим один шпиндель, и это упрощает синхронное перемещение двух рычагов и тем самым симметричное требуемое перемещение подушки для грудной клетки относительно грудной клетки пациента.
В другом предпочтительном варианте осуществления фронтальная конструкция автоматического CPR-устройства содержит ременную систему, содержащую ремень и шкив, причем ремень выполнен с возможностью приводиться и оборачиваться вокруг шкива, и упомянутые первый и второй подвижные модули соединяются с упомянутым ремнем так, чтобы перемещаться вперед-назад вдоль упомянутой фронтальной конструкции. Преимущественно система с ременным приводом является более дешевой, имеет меньшее трение и создает меньший механический шум, чем конфигурация со шпинделем. Меньшее трение приводит к меньшему теплообразованию и меньшей потребляемой мощности; следовательно, требуется меньшая емкость аккумулятора и более компактное средство привода или привод.
Кроме того, исключение шпинделя и подвижных модулей с резьбовым зацеплением также приводит к меньшему весу и очень компактной высоте общей конструкции, имеющей меньший центр тяжести.
В другом предпочтительном варианте осуществления ременная система содержит еще один шкив для оборачивания ремня вокруг него, причем ременная система идет вдоль фронтальной конструкции и упомянутые первый и второй подвижные модули выполнены с возможностью быть соединенными на соответствующей, взаимоисключающей стороне ременной системы так, чтобы перемещаться в противоположных направлениях относительно друг друга. Преимущественно приводное вращение ремня в одном направлении придвигает подвижные модули друг к другу, а приводное вращение в противоположном направлении отодвигает их друг от друга. Соответственно, подушка для грудной клетки сжимает и ослабляет давление на грудную клетку пациента.
В других предпочтительных вариантах осуществления цепь и звездочка используются вместо ремня и шкива, как описано в двух предыдущих вариантах осуществления. Это дает преимущество долговечности и жесткости. Это также предотвращает скольжение цепи относительно звездочки, тем самым предоставляя малое время срабатывания и точность.
В другом предпочтительном варианте осуществления фронтальная конструкция содержит жесткое средство для направления первого и второго подвижных модулей вперед-назад вдоль фронтальной конструкции. Вследствие немного более гибкой конструкции ременной системы, чем в конфигурации со шпинделем, может быть полезным использовать, например, некоторые направляющие для направления перемещения подвижных модулей.
В другом предпочтительном варианте осуществления средство привода выбрано из группы, состоящей из электромагнитного, пневматического или гидравлического привода, который предоставляет вращающую силу или линейную силу. Настоящее изобретение преимущественно использует вращательное или линейное движение и преобразует его в поступательное или линейное движение подушки для грудной клетки в направлении грудной клетки. Одно преимущество использования электромагнитного привода и, в частности, привода, который является сервоуправляемым, состоит в том, что оптимальный импульс силы получается для требуемой формы сигнала сжатия, т.е. сила является персонифицированной для конкретного пациента и свойств его тела/грудной клетки.
Другим автоматическим CPR-устройством является машина LUCAS, описанная в US 2004/0230140. Это устройство включает в себя компрессорный агрегат с пневматическим приводом, который возвратно-поступательно приводит контактную подушку для грудной клетки, чтобы механически сжимать/ослаблять давление на грудную клетку субъекта. Субъект располагается в состоянии покоя в положении лежа на спине во время выполнения CPR. Компрессорный агрегат механически поддерживается вертикально выше грудной клетки пациента так, что контактная подушка находится в механическом контакте с грудной клеткой пациента в районе грудины. В пользу настоящего изобретения продемонстрировано, что оно обеспечивает лучше управляемую глубину сжатия, т.е. оно предоставляет более персонифицированную сжимающую силу, является более стабильным и безопасным вследствие меньшего веса и меньшего центра тяжести, имеет больший срок службы вследствие большей эффективности по энергетической отдаче и создает меньший акустический шум.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления изобретения описаны далее только в качестве примера со ссылкой на чертежи, из которых:
фиг.1 изображает диаграмму требуемой формы сигнала сжатия;
фиг.2 изображает диаграмму требуемой силы, чтобы получать форму сигнала сжатия на фиг.1;
фиг.3 изображает диаграмму силы упругости в зависимости от глубины сжатия для среднестатистического человека;
фиг.4 изображает схематичный вид спереди автоматического CPR-устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 изображает общий вид спереди автоматического CPR-устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 изображает схематичные виды спереди трех стадий автоматического CPR-устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.7 изображает диаграмму смоделированного потребления мощности системы с двумя различными приводами;
фиг.8 изображает схематичный вид ременной системы автоматического CPR-устройства с ременным приводом согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.4 показан схематичный чертеж автоматического CPR-устройства для циклического сжатия грудной клетки пациента. CPR-устройство содержит опору 41 для спины для размещения за спиной пациента. Две вертикальные стойки 42a, b прикрепляются в нижней части к опоре 41 для спины. Фронтальная конструкция 43 соединяется с вертикальными стойками 42a, b в верхней части. Опора 41 для спины выполнена с возможностью поддерживать фронтальную конструкцию 43 в зафиксированном положении или в относительно зафиксированном положении относительно спины пациента. Без опоры 41 для спины все CPR-устройство имеет тенденцию отодвигаться от грудной клетки пациента при работе. Фронтальная конструкция 43 содержит первый и второй подвижные модули 44a, b, выполненные с возможностью перемещаться вперед-назад вдоль упомянутой фронтальной конструкции 43. CPR-устройство дополнительно содержит подушку 46 для грудной клетки, которая выполнена с возможностью входить в контакт и сжимать/ослаблять давление на грудную клетку пациента. Подушка 46 для грудной клетки может содержать или может быть выполнена с возможностью распределять силу по области грудной клетки, клейкий слой может применяться на подушке 46 для грудной клетки, чтобы обеспечивать лучшее крепление к грудной клетке пациента. Два рычага 45a, b соединяются с возможностью поворота с подушкой 46 для грудной клетки одним концом, и каждый рычаг соединяется с возможностью поворота с соответствующим одним из первого и второго подвижных модулей 44a, b. Два рычага 45a, b могут быть соединены с возможностью поворота или шарнирно с подушкой 46 для грудной клетки или в отдельных точках подушки 46 для грудной клетки, или предпочтительно в одной общей точке, имеющей общую вращательную или поворотную ось. CPR-устройство дополнительно содержит средство 47, 48 привода (и 51, 52 на фиг.5), выполненное с возможностью при работе привода первого и второго подвижных модулей 44a, b вперед-назад так, что подушка 46 для грудной клетки циклически сжимает грудную клетку пациента. Средство привода предпочтительно содержит электромагнитный привод 48 или, более конкретно, (бес-)щеточный привод постоянного тока, который предоставляет вращающую силу, однако пневматическое или гидравлическое средство также может быть выполнено с возможностью предоставления требуемого движения модулей 44a, b. Привод 48 предпочтительно имеет следящее управление. Аккумулятор подает питание в привод 48. Привод 48 выполнен с возможностью вращать шестерню, зубчатое колесо или шкив 47, который, в свою очередь, приводит шпиндель или вал 51, 52. Два рычага 45a, b могут соединяться через шариковые винты, имеющие пониженное трение со шпинделем. Предпочтительно шпиндель разделен на две части 51, 52 с противоположным направлением хода. Когда привод 48 поворачивается, например, по часовой стрелке, подвижные модули 44a, b и рычаги 45a, b перемещаются внутрь, а когда привод 48 поворачивается против часовой стрелки, подвижные модули 44a, b и рычаги 45a, b перемещаются наружу.
На фиг.6 показаны виды спереди трех стадий автоматического CPR-устройства. В положении готовности первый и второй подвижные модули 44a, b размещаются на внешних частях фронтальной конструкции 43, и, следовательно, подушка для грудной клетки находится в верхнем положении. Пациент может быть размещен спиной к опоре 41 для спины, причем его передняя часть тела располагается напротив фронтальной конструкции 43. Привод 48 начинает вращение шпинделя 51, 52, первый и второй подвижные модули 44a, b и рычаги 45a, b тем самым приводятся вместе, и, следовательно, подушка 46 для грудной клетки перемещается в направлении пациента до тех пор, пока подушка не входит в контакт с грудной клеткой, тем самым достигая начального положения. Угол между двумя рычагами составляет приблизительно 140 градусов. Подушка для грудной клетки затем перемещается между начальным и конечным положением соответственно. Привод 48 далее поворачивается против часовой стрелки, перемещение полностью меняет направление на противоположное, и снова достигается начальное положение. Таким образом, подушка 46 для грудной клетки циклически сжимает грудную клетку пациента. Вращательное движение привода 48 тем самым преобразуется в поступательное движение подушки 46 для грудной клетки.
Типичная требуемая глубина сжатия составляет 4-6 сантиметров, а требуемая сила может составлять 800 Н. Вычисления демонстрируют, что преобразование вращательного движения привода в поступательное движение может предоставлять приблизительно 1000 Н. На фиг.7 показана моделируемая потребляемая мощность системы для двух различных приводов, одна для привода с V-образными рычагами согласно настоящему изобретению и одна для привода с постоянным оптимальным передаточным числом 1,67. Моделирования проводились на экспериментальных данных испытательной системы, и они согласуются в пределах 10% от экспериментальных значений. Для обоих случаев параметры привода, а также PID-управление оптимизированы для минимальной мощности. Очевидно, что устройство с регулируемым приводом согласно настоящему изобретению имеет значительно меньшую потребляемую мощность, приблизительно на 30-40% более низкую потребляемую мощность для глубины сжатия 4-5 см, при этом все другие факторы совпадают. Дополнительные преимущества системы заключаются в симметрии CPR-устройства, которое гарантирует движение только в вертикальном направлении и которое также распределяет силы вдоль рычагов В.
На фиг.8 показан схематичный вид ременной системы автоматического CPR-устройства с ременным приводом согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Ссылаясь на верхний чертеж, привод и зубчатая передача (не показаны) приводят один из шкивов 82a в направлении 84 по часовой стрелке. Один рычаг 45a соединяется с первым подвижным модулем 83a, который соединяется с ремнем на одной стороне 81a ременной системы и тем самым перемещается вправо. Другой рычаг 45b соединяется со вторым подвижным модулем 83b, который соединяется с ремнем на другой стороне 81b ременной системы и тем самым перемещается влево. Следовательно, подушка 46 для грудной клетки перемещается вниз в направлении к пациенту. Ссылаясь на нижний чертеж, изменение на противоположное направление 85 вращения привода приводит к тому, что рычаги 45a, b и подушка 46 для грудной клетки перемещаются в противоположных направлениях. Предпочтительно ременная система выполнена так, что шкивы вращаются горизонтально, т.е. в плоскости параллельно к спине пациента. Тем не менее ременная система также может быть выполнена так, что шкивы вращаются вертикально, т.е. в плоскости перпендикулярно к спине пациента и вдоль протяжения фронтальной конструкции 43. В этом случае один из рычагов 45a, b имеет большую длину, чем другой рычаг. Ремень предпочтительно изготавливается из полимерного материала. Настоящее изобретение предпочтительно использует зубчатый или синхронный ремень и шкив. Ремень имеет равномерно разнесенные поперечные зубцы, которые входят в совпадающие пазы на периферии шкива.
Для цепной системы принцип действия является аналогичным предыдущему варианту осуществления с отличием в том, что шкив и ремень заменяются на звездочку и цепь соответственно.
Определенные конкретные подробности раскрытого варианта осуществления изложены для целей пояснения, а не ограничения, с тем чтобы предоставлять четкое и исчерпывающее понимание настоящего изобретения. Тем не менее специалисты в данной области техники должны понимать, что настоящее изобретение может быть использовано на практике в других вариантах осуществления, которые не соответствуют в точности подробностям, изложенным в данном документе, без значительного отступления от сущности и объема данного раскрытия сущности. Например, настоящее изобретение не ограничено требованием CPR-устройства только с двумя рычагами, двумя подвижными модулями, двумя шкивами или двумя звездочками. Дополнительно, в этом контексте и для целей краткости и понятности подробные описания хорошо известных устройств, схем и технологий опущены, с тем чтобы исключать лишние подробности и не допускать возможной путаницы.