Аппаратно-программный комплекс для физиотерапевтического тренинга и профилактики заболеваний органов дыхания на базе аппарата искусственной вентиляции легких
HARDWARE AND SOFTWARE COMPLEX FOR PHYSIOTHERAPEUTIC TRAINING AND PREVENTION OF RESPIRATORY DISEASES BASED ON ARTIFICIAL LUNG VENTILATION APPARATUS

Изобретение относится к медицине, конкретнее - к области медицинской техники, и может быть использовано в реабилитационных центрах и поликлиниках, оборудованных аппаратами искусственной вентиляции легких (ИВЛ), при тренировках водолазов, альпинистов, в спорте высших достижений для формирования правильного дыхания при физических нагрузках.
В различных научных публикациях предлагается использовать анализ выдыхаемого воздуха, как для диагностики болезней, так и для мониторинга физиологического состояния организма человека. Для этого используется непосредственно выдыхаемый воздух или его конденсат. Известны способы выявления ряда заболеваний по составу выдыхаемого воздуха, например, способ эффективной диагностики пневмонии у пациентов путем измерения максимальной интенсивности светового потока люминесценции конденсата выдыхаемого воздуха [10], способ диагностики и мониторинга хронической обструктивной болезни легких [11]. Широкое оснащение медицинских учреждений первичного звена современными аппаратами искусственной вентиляции легких (ИВЛ) позволяет расширить арсенал аппаратных средств проведения лечебно-профилактических курсов для улучшения дыхания, увеличения объема легких, физиотерапевтического тренинга и профилактики заболеваний органов дыхания в режиме контроля выдыхаемого воздуха с фиксацией параметров и выдачи рекомендаций испытуемому.
Известен аппаратно-программный комплекс (АПК) для функциональной диагностики пациентов, содержащий измерительный блок и соединенный с ним электронный блок обработки сигналов. Электронный блок обработки сигналов выполнен в виде персонального компьютера, оснащенного беспроводным интерфейсом персонального компьютера, а измерительный блок выполнен в виде группы приборов в составе правого и левого спектрофотометрических анализаторов, правого и левого пульсовых оксиметров, правого и левого измерителей накожной температуры и измерителя частоты дыхания, а также контроллера сбора данных, оснащенного беспроводным интерфейсом контроллера сбора данных, причем входы-выходы группы приборов соединены с соответствующей группой входов-выходов контроллера сбора данных, который через беспроводной интерфейс контроллера сбора данных соединен с беспроводным интерфейсом персонального компьютера [12].
Техническое решение по патенту RU 114409 обладает относительно узкими функциональными возможностями. Прежде всего, он не использует анализ состава органических метаболитов выдыхаемого воздуха, что препятствует решению многих задач лечебно-профилактических курсов для улучшения дыхания, физиотерапевтического тренинга и профилактики заболеваний органов дыхания, ограничиваясь исследованием микрогемодинамики испытуемого в движении.
Такие же недостатки имеют АПК для диагностики физиологического состояния организма, основанный на биохимическом исследовании состава и свойств крови (Патент RU 2525432, 2014), и АПК автоматического обучения мышц дыхания для пациентов, получающих механическую вентиляцию по патенту US 20130276787 А1, в котором анализ выдыхаемого воздуха ограничивается давлением и объемным содержанием кислорода и углекислого газа [13].
Наиболее близким техническим решением является многофункциональный аппарат искусственно управляемой или вспомогательной ИВЛ (Патент RU 71250 U1). Многофункциональный аппарат содержит воздуходувку и ротоносовую маску подачи дыхательной смеси, задающий генератор с выбираемой частотой, задающие и приемные электроды, синхронный детектор. В него введены микрофон, блок реограммы частоты сердечных сокращений (ЧСС), блок фотокардиограммы, блок синхронизации и формирования управляемой выдержки запуска ИВЛ. Выходы генератора соединены с задающими электродами, а выходы приемных электродов соединены с сигнальными входами синхронного детектора и с входами блока реограммы сердечного выброса, выходы первого и третьего приемных электродов соединены с входами блока ЭКГ, выход микрофона соединен с входом блока фотокардиограммы, выход которого, как и выходы синхронного детектора и блока ЭКГ соединены с сигнальными входами блока синхронизации и формирования управляемой задержки запуска ИВЛ, а выход блока формирования управляемой задержки запуска через воздуходувку и ротоносовую маску является выходом аппарата ИВЛ [14, выбран в качестве прототипа].
Аппарат имеет возможность управлять задержкой запуска воздуходувки и подачей дыхательной смеси через ротоносовую маску в зависимости от физиологического состояния испытуемого (измеряется начало вдоха и начало сердечного выброса). Общими признаками заявленного изобретения и прототипа является наличие аппарата ИВЛ, технических средств регистрации данных о текущем состоянии испытуемого, системы синхронизации и управляемой задержки запуска ИВЛ с дисплеем.
Техническое решение, выбранное за прототип, также обладает относительно узкими функциональными возможностями. Оно не пригодно для физиотерапевтического тренинга и профилактики заболеваний органов дыхания, поскольку не позволяет изменять количество и качество подаваемой дыхательной смеси в соответствии с текущим физиологическим состоянием испытуемого и его динамикой.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей комплекса на базе аппарата ИВЛ путем обеспечения оперативного изменения параметров работы аппарата ИВЛ с учетом текущего состояния испытуемого, например, оптимизации газоснабжения в условиях повышенных физических нагрузок. Аппаратно-программный комплекс на базе аппарата ИВЛ может применяться в качестве диагностического, лечебного или профилактического физиотерапевтического оборудования для поликлиник первичного звена, оздоровительных, спортивных и тренировочных центров, может быть использован при научных исследованиях.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве, содержащем аппарат ИВЛ (1) с блоком управления (2), обеспечивающим регулировку давления, содержания кислорода, частоты и периодичности подачи дыхательной смеси, имеется измерительный блок и соединенный с ним электронный блок обработки сигналов. В отличие от прототипа, измерительный блок (7) оборудован, помимо известных технических средств регистрации данных о текущем состоянии испытуемого (9-12), устройством регистрации профиля летучих метаболитов (ПЛМ) в выдыхаемом воздухе (8). Блок обработки сигналов выполнен в виде программируемого контроллера (13), обеспечивающего сбор и обработку данных от технических средств регистрации данных о текущем состоянии испытуемого и передачу их компьютерному вычислительному комплексу (14) с установленным на нем программным обеспечением, при этом команды от блока обработки могут поступать на блок управления ИВЛ и управлять различными функциями этого устройства. Приборы измерительного блока (7) подключены к программируемому контроллеру (13), программируемый контроллер подключен прямой и обратной связью к компьютерному вычислительному комплексу (14), а отдельные выходы программируемого контроллера (13) подключены к входам блока управления (2) аппарата ИВЛ.
Как и в известных аналогах, измерительный блок может включать измеритель артериального давления (9), измеритель насыщенности крови кислородом (10), средство для регистрации электрокардиограммы (11), средство для регистрации электроэнцефалограммы (12) и другие измерители, сообразно целям требуемых процедур.
Заявленный АПК для физиотерапевтического тренинга и профилактики заболеваний органов дыхания отличается от известных аналогов, использующих аппарат искусственной вентиляции легких, тем, что он оборудован устройством регистрации профиля летучих метаболитов, а его вычислительный комплекс (программная часть) снабжен программой обработки результатов регистрации профиля летучих метаболитов в выдыхаемом воздухе и программой интеллектуального анализа данных о текущем состоянии испытуемого. Эти признаки являются существенными, обеспечивающими достижение заявленного технического результата и способствующими решению поставленной задачи.
В частном случае в качестве средства анализа выдыхаемого воздуха может быть выбран лазерный оптико-акустический газоанализатор. Эти приборы имеют преимущество по отношению к другим известным техническим реализациям методов лазерного абсорбционного газоанализа, в случае динамического наблюдения изменений состава выдыхаемого воздуха: объем измерительной оптико-акустической ячейки составляет 10-20 см3, в то время как объем ячеек абсорбционных газоанализаторов, основанных на законе Бугера не менее нескольких литров. Объем нефорсированного выдоха в спокойном состоянии 300-900 мл. Соответственно, оптико-акустический газоанализатор позволяет получить не менее 15 отсчетов в течение выдоха (при неизменной длине волны излучения лазерного источника). Абсорбционные газоанализаторы, основанные на законе Бугера, позволяют лишь регистрировать усредненные по нескольким выдохам параметры.
Профиль летучих метаболитов в выдыхаемом воздухе может быть охарактеризован косвенно по форме спектра поглощения выдыхаемого воздуха или непосредственно при использовании программы обработки и фиксации результатов спектрального анализа выдыхаемого воздуха. Таким образом, в качестве «паттерна состояния» целесообразно использоваться профиль летучих метаболитов в выдыхаемом воздухе.
В конкретном варианте реализации АПК компьютерный вычислительный комплекс может быть оборудован хранилищем данных с пополняемыми базами данных текстовых, графических и звуковых тестов, результатов их выполнения, параметров работы аппарата ИВЛ и их зависимости от результатов интеллектуального анализа данных о текущем состоянии испытуемого. Это позволяет накапливать опыт работы АПК, сравнивать результаты, в совокупности отличать одно состояние от другого, реализовать алгоритмы машинного обучения и совершенствовать эффективность применения устройства, даже при работе с одним конкретным испытуемым. Изменение физиологического состояния испытуемого вызывает изменение группы параметров давления, электрокардиограммы и электроэнцефалограммы [1, 2]. Связь между регистрируемыми параметрами не линейна, и оценка состояния испытуемого по ограниченному числу параметров малоэффективна. Регистрация профиля органических летучих метаболитов и использование методов машинного обучения значительно расширяет функциональные возможности АПК на базе аппарата ИВЛ.
Сущность заявленного универсального многофункционального аппаратно-программного комплекса (АПК) для физиотерапевтического тренинга и профилактики заболеваний органов дыхания на основе аппарата ИВЛ заключается в установлении обратной связи между параметрами текущего состояния испытуемого и режимом работы аппарата ИВЛ. При этом осуществляется сбор и передача данных от технических средств регистрации данных о текущем состоянии испытуемого вычислительному комплексу, классификация текущего физиологического состояния, обращение к пополняемым цифровым базам данных, формируемых в хранилище, регулирование параметров работы аппарата ИВЛ в соответствии с задачами тренинга, профилактики или реабилитации системы дыхания с учетом результатов классификации текущего физиологического состояния и его динамики.
Техническое решение иллюстрируется блок-схемой (фиг. 1), на которой цифрами обозначены:
1 - аппарат ИВЛ;
2 - блок управления;
3 - регулятор давления;
4 - регулятор содержания кислорода;
5 - регулятор частоты и периодичности подачи дыхательной смеси;
6 - испытуемый;
7 - измерительный блок, содержащий технические средства регистрации данных о текущем состоянии испытуемого, включая устройство регистрации профиля летучих метаболитов 8 (блок 7 может включать также измеритель артериального давления 9; измеритель насыщенности крови кислородом 10; средство для регистрации электрокардиограммы 11; средство для регистрации электроэнцефалограммы 12 и др. измерители);
13 - программируемый контроллер;
14 - компьютерный вычислительный комплекс с программным обеспечением.
Сокращения, использованные в тексте описания:
АПК - аппаратно-программный комплекс;
ИВЛ - искусственная вентиляция легких;
ПЛМ - профиль летучих метаболитов;
ЭКГ - электрокардиограмма;
ЭЭГ - электроэнцефалограмма;
ПО - программное обеспечение;
ЧСС - частота сердечных сокращений;
ИГТ - интенсивная гипоксическая тренировка.
Аппаратно-программный комплекс (АПК), как и известные аналоги, содержит аппарат ИВЛ (1), имеющий воздушные каналы вдоха и выдоха и обеспечивающий регулировку давления, газосодержания и частоты подачи дыхательной смеси. Программируемый контроллер (13) осуществляет сбор аналоговой информации от технических средств регистрации данных о текущем состоянии испытуемого (блок 7), перевод их в цифровую форму и передачу данных компьютерному вычислительному комплексу (14). Вычислительный комплекс (14) снабжен установленным на нем программным обеспечением, позволяющими на основе зарегистрированных характеристик получить информацию о текущем состоянии испытуемого и классифицировать это состояние.
В настоящее время ведутся интенсивные научные работы по исследованию газового состава выдыхаемого воздуха и его сравнению с составом исходной дыхательной смеси, продуцируя достоверные данные для диагностики многих респираторных заболеваний, вырабатываются рекомендации по профилактике и реабилитации заболеваний дыхательной системы. С другой стороны известно, что воздух, которым дышит человек, его давление, газовый состав, содержание ионов, биологически активных органических летучих веществ прямым образом связано с физиологическим и психологическим состоянием организма. Заявленное изобретение помогает комплексно решить обе эти задачи. Хороший результат дает снабжение аналитического аппарата необходимым справочным материалом (пополняемыми базами данных), например, на основе машинного обучения методами распознавания образов.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей АПК на базе аппарата ИВЛ, увеличение арсенала аппаратных средств диагностики, профилактики и физиотерапевтической реабилитации респираторных заболеваний, тренинга дыхательной системы спортсменов и профессионалов, работающих в экстремальных условиях.
Работа АПК осуществляется в следующем порядке.
Аппарат ИВЛ 1 и измерительный блок 7, включая устройство для регистрации профиля летучих метаболитов в выдыхаемом воздухе 8, подключают к испытуемому субъекту. Медицинский специалист выбирает цель процедуры (тренинг, профилактика, лечение) и запускает соответствующую программу. Воздушные каналы вдоха и выдоха открыты, испытуемый дышит воздухом, находящимся в помещении. С помощью технических средств регистрации данных о текущем состоянии испытуемого контролируют физиологическое состояние испытуемого. Затем включают аппарат ИВЛ и осуществляют воздействие физическими факторами, способствующими тренировке, профилактике или реабилитации дыхательной системы в соответствии с целями процедуры. При этом измерительный блок АПК содержит соответствующий поставленной задаче набор технических средств регистрации данных о текущем состоянии испытуемого (например, измеритель артериального давления, измеритель насыщенности крови кислородом, средство для регистрации электрокардиограммы, средство для регистрации электроэнцефалограммы). Могут подключаться и другие приборы, используемые в аналогах.
Пример 1. АПК в режиме тренинга
В иллюстративном примере настраивают аппаратно-программный комплекс, в том числе состав подаваемой дыхательной смеси, и, задав соответствующие программы, осуществляют, например, тренировку растяжимости или эластичности дыхательной мускулатуры во время длительного дыхания разреженным воздухом или смесью кислород-азот при подводных погружениях. Анализируя изменение физиологических параметров, определяют оптимальные для испытуемого состав дыхательной смеси и разрабатывают методику выполнения физических нагрузок в экстремальных условиях. Например, в результате действия пониженного содержания кислорода во вдыхаемом воздухе отмечается достоверное (р<0,05) снижение амплитуды альфа-ритма в большинстве отведений по сравнению со значениями при нормоксии, в частности, в затылочных отведениях: амплитуда альфа-ритма снижается до 22,03±0,74 мкВ в правой затылочной области и до 24,20±0,98 мкВ в левой затылочной области [3]. При гипоксии, соответствующей высоте над поверхностью моря 5000 м, насыщение крови кислородом падает до 85% и менее, на высоте 6000 м - менее 70%, также на ЭКГ наблюдается отклонение электрической оси сердца влево на 5-8° и уплощение зубца Т во всех отведениях, повышение систолического артериального давления (САД) и диастолического давления [8], но достоверные различия между САД до и после гипоксических тренировок выявлены только на 12 минуте кратковременной нормобарической гипоксии. При кратковременной нормобарической гипоксии выявлены достоверные различия частоты сердечных сокращений до и после курса интенсивной гипоксической тренировки (ИГТ) на 1-й, 5-й, 10-й, 11-й и 12-й минутах воздействия. Максимальных значений ЧСС при гипоксическом воздействии до курса гипоксических тренировок достигала на десятой минуте - 96±6 уд./мин, после - только 86±5 уд./мин [9, рис. 2].
По команде оператора с помощью СПО подаются управляющие сигналы на блок управления ИВЛ, в канал вдоха поступает газовая смесь с компонентным составом и физическими параметрами, соответствующим целям процедуры. Например, при нормобарической гипоксической тренировке содержание кислорода во вдыхаемой смеси уменьшается до 15,4% -13,6% (соответствует высоте от 2500 до 3500 метров над уровнем моря) [4]. Для усиления эффекта содержание кислорода может периодически (5-10 раз) уменьшаться до 9-10% (соответствует высоте от 5800 метров над уровнем моря) [5].
Пример 2. АПК в режиме профилактики
В иллюстративном примере АПК может содержать дисплей с сенсорным экраном, посредством которого специалист по заболеваниям органов дыхания, инструктор или спортивный тренер может наблюдать за работой аппарата искусственной вентиляции легких, анализировать физиологические сигналы, изменять параметры его работы. Интерфейс пользователя включает в себя устройства ввода (кнопки, ручки регулирования, переключатели и т.д.), клавиатуру, мышь, устройство звукового оповещения, световой индикатор, благодаря чему пользователь может вручную выполнить сеанс разработанной программы профилактики респираторных заболеваний. Например, при биоакустической стимуляции дыхательной системы создается модуляция давления в воздушном канале вдоха ИВЛ на индивидуально подобранных частотах в диапазоне 5 до 100 Гц [6, 7].
Пример 3. АПК в режиме реабилитации
Через воздушный канал выдоха производится отбор выдыхаемого воздуха, и устройством, входящим в состав АПК, проводится регистрация профиля летучих метаболитов в выдыхаемом воздухе. Например, при контроле оксидативного стресса (ОС) регистрируются маркеры ОС, к которым относятся Н2О2, продукты перекисного окисления липидов, NO, метилированные алканы, С4-С20 алканы [1, 2]. На основе полученных данных о состоянии испытуемого и необходимых справочных данных, сохраняемых в пополняемых базах данных, и с помощью методов машинного обучения, реализованных в программном обеспечении, производится классификация текущего состояния испытуемого, делается заключение о возможности проведения процедуры и задается оптимальный режим ее проведения.
Не ослабевает интерес врачей к применению методов физиотерапии, способствующих уменьшению медикаментозной нагрузки и предотвращению побочных действий медикаментов в лечении терапевтической патологии. Одним из таких методов, основанным на использовании природных калийных солей, является солетерапия, которая может осуществляться с помощью аппарата ИВЛ. В последние годы наблюдается появление нозологических форм в виде ирритативных или аллергических реакций дыхательных путей. Положительный терапевтический эффект от воздействия природных калийных солей обеспечивается за счет иммуномодулирующего, гипосенсибилизирующего, муколитического, дренирующего и противовоспалительного действий, которые обусловливают длительные устойчивые ремиссии, в частности при хронических бронхолегочных и аллергических заболеваниях. Эффективность спелеотерапии при реабилитации, например, аллергозов, при правильном отборе испытуемых достигала 93%. Процедуру завершают по достижению планируемых результатов процедуры, или по другим критериям, например, если состояние испытуемого выходит из диапазона допустимых параметров.
Литература
1. Stephens J.W., Khanolkar М.Р., Bain S.C. The biological relevance and measurement of plasma markers of oxidative stress in diabetes and cardiovascular disease // Atherosclerosis 202 (2009)321-329.
2. Phillips M., Cataneo R.N., Cheema Т., Greenberg J. Increased breath biomarkers of oxidative stress in diabetes mellitus // Clinica Chimica Acta 344 (2004) 189-194.
3. Борукаева И.Х., Абазова 3.X., Кумыков B.K. Влияние кратковременной гипоксии на биоэлектрическую активность головного мозга детей, подростков и юношей // Фундаментальные исследования. - 2014. - №4-3. - С. 466-471.
4. Озолин Э.С. Использование гипербарической оксигенации и нормобарической гипоксии в подготовке спортсменов // Теория и практика физической культуры. - 2005. - №1. - С. 5-8.
5. Колчинская А.З., Цыганова Т.Н. Остапенко Л.А. Нормобарическая интервальная гипоксическая тренировка в медицине и спорте. М.: Медицина, 2003. 408 с.
6. Науменко Ж.К., Неклюдова Г.В., Чикина С.Ю., Черняк А.В. Новые функциональные методы исследования: импульсная осциллометрия и бронхофонография. Атмосфера. Пульмонология и аллергология. 2007; 2:14-17.
7. Богомолов А.В., Драган С.П. Математическое обоснование акустического метода измерения импеданса дыхательного тракта. Доклады Академии наук. 2015; 464(5):623. DOI: 10.7868/S0869565215290253.
8. Агаджанян Н.А. и др. Военно-медицинский журнал. 1959, №2.
9. Матева Е.В., Пантелеева Н.И. Реакция сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека на нормобарическую гипоксию до и после курса интервальных гипоксических воздействий // Фундаментальные исследования. 2014. №6-7. С. 1406-1411.
10. Патент RU 2361513, МПК А61В 5/08, А61М 16/00, G01N 33/487, опубл. 20.07.2009.
11. Буланова А.А., Букреева Е.Б., Кистенев Ю.В. Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №4, URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14408, дата обращения: 16.07.2020.
12. Патент RU 114409, МПК А61В 5/00, опубл. 27.03.2012.
13. Патент US 20130276787 Al, А61М 16/00 20060101, 24.11.2013.
14. Патент RU 71250, МПК А61М 21/00, опубл. 10.03.2008.