АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ
AUTOMATIC SYSTEM OF ARTIFICIAL LUNG VENTILATION

Изобретение относится к медицинской технике, точнее к аппаратам искусственной вентиляции легких (ИВЛ) и может использоваться для оказания скорой медицинской помощи, а также в области ветеринарии или экспериментальной биологии у позвоночных с легочным типом дыхания.
Традиционные аппараты ИВЛ являются сложными, дорогостоящими в изготовлении и эксплуатации устройствами. Они, как правило, имеют большое количество режимов работы, обеспечиваются сложным набором элементов, требующих квалифицированного технического специалиста для настройки системы. Для решения задач в условиях экстренной помощи необходимо, чтобы аппарат ИВЛ имел простую конструкцию и был прост в эксплуатации, изготавливался из легкодоступных материалов с применением простой и недорогой технической оснастки, имел возможность подключения максимального количества пациентов к одному генератору дыхательной смеси для одновременного получения искусственной вентиляции, с соблюдением норм одноразового использования аппаратуры для каждого пациента с последующей ее полной стерилизацией.
Известен аппарат искусственной вентиляции легких (пат. 92333, РФ, МПК А61Н 31/02, 2009), состоящий из механической клапанной конструкции и шланга подачи дыхательного газа, в который вмонтирован штуцер подачи дыхательного газа с дозирующим элементом. Аппарат выполнен компактно и размещен на маске. В устройстве в течение переменного цикла вдох/выдох дыхательный газ вводится в легкие пациента, дыхание которого должно поддерживаться искусственным путем. По окончании инспирации осуществляется выведение использованного легким дыхательного газа. Недостатком устройства является необходимость ручной дозированной подачи дыхательного газа. Кроме того, отсутствие предохранительного клапана и индикатора давления снижает безопасность пациента при проведении ИВЛ.
Известен Активный клапан для аппаратов искусственной вентиляции легких (пат. 2595479, RU, МПК А61М 16/20, 2011) для применения в системе вентиляции легких пациента. Клапан, как один компонент, обеспечивает функции предохранительного клапана, клапана сброса избыточного давления и клапана сброса отрицательного давления. Клапан включает в себя электромагнит; шток, соединенный с электромагнитом; и диафрагму, соединенную со штоком. Электромагнит прикладывает усилие к диафрагме на основе входного сигнала. Система вентиляции легких включает в себя контроллер, соединенный с клапаном и предназначенный для подачи питания на клапан. Контроллер выполнен с возможностью изменения направления тока в катушке для подъема диафрагмы клапана для обеспечения выпуска воздуха во внешнюю среду через отверстие в соединении с контуром пациента при превышении давления в контуре пациента выше порога положительного давления и подъема диафрагмы клапана для обеспечения подачи воздуха из внешней среды через отверстие в соединении при падении давления в контуре пациента ниже порога отрицательного давления. Для аппарата характерны существенные недостатки, которые значительно ограничивают эффективность его применения в ветеринарной практике: высокая стоимость, сложность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности является устройство модуляции давления в дыхательных путях пациента (пат. 6067984 US, МПК А62В 9/02, 2000), которое содержит корпус с внутренней камерой для приема дыхательной смеси. В корпус встроены клапан регулировки давления дыхательной смеси и клапан регулировки скорости выхода дыхательной смеси, которые осуществляют цикличность процесса вдоха-выдоха пациента в системе, переключаясь на выдох от вдоха при достижении определенного давления. С этой целью клапан регулировки давления дыхательной смеси, содержащий подпружиненный поршень, выполнен с возможностью устанавливать заданное давление. Клапан регулировки скорости выхода дыхательной смеси, выполняющий функции клапана дыхания, выполнен с возможностью регулировки скорости потока газа, выходящего из камеры в атмосферу, тем самым позволяет контролировать продолжительность выдоха пациента. Поступление дыхательной смеси в легкие пациента и в устройство модуляции осуществляет вдох, который продолжается до тех пор, пока сила давления на поршень не приведет к сжатию пружины и открытию клапана. Когда поршень находится в полностью открытом положении, дыхательная смесь через клапан регулятора скорости потока начинает выходить в атмосферу, давление в легких падает, пружина разжимается, а поршень закрывается и выдох завершается. Таким образом, когда давление падает до определенного уровня, клапан легочного модулятора давления закрывается, и у пациента начинается вдох и цикл повторяется. Недостатком является наличие такого инерционного звена как пружина, которое негативно влияет на показатель быстродействия клапана. Несмотря на то, что устройство обеспечивает постоянную вентиляцию, оно не работает на малых давлениях и является чрезвычайно дорогим.
Задача изобретения заключается в том, чтобы сконструировать устройство, позволяющее получить простую и оптимальную по стоимости конструкцию с автоматическим режимом управления подачи дыхательной смеси или чистых газов пациенту в условиях апноэ.
Технический результат от решения поставленной задачи состоит в том, что конструкция заявляемого аппарата ИВЛ представляет собой полностью автоматическую систему, позволяющую поддерживать дыхание пациента искусственным путем и регулировать необходимое давление в легких от 5 до 60 см вод. столба с задаваемой частотой. Заявляемая система позволяет длительно вентилировать пациентов с различной массой тела и объемом легких. К положительным результатам следует отнести возможность использования различных устройств, генерирующих дыхательную смесь, запускающих работу дыхательного клапана, и не влияющих на устойчивую работу системы. Положительным фактом является то, что затраты на производство и стоимость предлагаемой системы значительно ниже стоимости известных по уровню техники аппаратов.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагается Автоматическая система искусственной вентиляции легких, состоящая из корпуса с внутренней камерой для приема дыхательной смеси, порта подачи дыхательной смеси в камеру и порта подачи дыхательной смеси пациенту, а также, из встроенных в корпус клапана регулировки давления и клапана регулировки дыхания. В предлагаемой системе клапан регулировки давления и клапан регулировки дыхания, сопрягаемые постоянными магнитами, работают как единый компонент. С этой целью клапан дыхания содержит корпус, крышку с отверстиями для выхода дыхательной смеси и, перемещающийся внутри корпуса и крышки в осевом направлении шток, рабочая часть которого имеет форму конуса, сопрягаемого с корпусом. На конце штока закреплен постоянный магнит, обращенный полюсом к разноименному полюсу постоянного магнита, закрепленного на торце регулятора давления. Регулятор давления выполнен с возможностью осевого перемещения для изменения расстояния между разноименными магнитами. Указанную систему дополняют индикатором давления и клапаном спонтанного вдоха. Индикатор давления, встроенный в регулятор давления, выполнен в виде поршня, который перемещается под воздействием упругой мембраны, реагирующей на изменение давления в системе. Кроме того, порт подачи дыхательной смеси для регулировки объема потока и давления подаваемой смеси обеспечен входным штуцером с прорезью, резьбовой регулировочной втулкой и фиксирующей гайкой.
Отличия заявляемого изобретения от прототипа заключаются в том, что:
- соединение активного клапана регулировки дыхания и регулятора давления посредством постоянных магнитов обеспечивает надежность и бесперебойность работы устройства, простоту изготовления и универсальность эксплуатации устройства;
- конструктивное выполнение автоматического капана регулировки дыхания в виде корпуса с крышкой с отверстиями для выхода дыхательной смеси и штока, рабочая часть которого имеет форму конуса, сопрягаемого с корпусом, а также размещение на противоположном конце штока постоянного магнита, обращенного полюсом к разноименному полюсу постоянного магнита, закрепленного на торце регулятора давления, обеспечивают работу регулятора давления и клапана регулировки дыхания как единого компонента;
- изменение расстояния между разноименными магнитами с помощью регулятора давления обеспечивает возможность устанавливать необходимое рабочее давление в легких.
- регулятор давления, конструктивно связанный с индикатором давления, одновременно работает как компактное механическое устройство для отображения давления в системе.
- обеспечение порта подачи дыхательной смеси входным штуцером с прорезью, резьбовой регулировочной втулкой и фиксирующей гайкой позволяет использовать для работы системы различные типы генераторов дыхательной смеси.
Эти отличительные признаки позволяют сделать вывод о наличии новизны в предлагаемом техническом решении, а их осуществление обеспечивает достижение результата в решении поставленной задачи. Таким образом, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень. Предлагаемое устройство является применимым в области медицины экстренных случаев, ветеринарии и экспериментальной биологии.
Изобретение поясняется описанием и иллюстративным материалом, где:
Фиг. 1 - схема устройства в разрезе;
Фиг. 2 - изображение устройства в разобранном виде в перспективе.
Автоматическая система искусственной вентиляции легких содержит (Фиг. 1, Фиг. 2) корпус 1 с внутренней камерой 2 для приема дыхательной смеси, встроенный автоматический клапан регулировки дыхания 3, порт подачи дыхательной смеси пациенту 4, регулятор давления 5, индикатор давления 6, порт подачи дыхательной смеси в устройство 7, клапан спонтанного вдоха 8. Корпус 1 выполнен из полимерных материалов для медицинской техники. Термин «дыхательная смесь» обозначает пригодную для дыхания комбинацию газов, в том числе атмосферный воздух. Поток дыхательной смеси через устройство подается в легкие пациента, а автоматический клапан регулировки дыхания и регулятор давления обеспечивают цикличность дыхания с требуемой продолжительностью фаз дыхания.
Автоматический клапан регулировки дыхания 3 в системе вентиляции выполнен сборным и состоит (Фиг. 2) из корпуса 9, штока 10, размещенного в корпусе 9, и крышки 11 с отверстиями 12 для выпуска дыхательной смеси в атмосферу во время выдоха. Корпус 9, выполненный из немагнитного материала, объединяет все части в одно целое, имеет резьбовое соединение с крышкой 11. Шток 10 выполнен с возможностью осевого перемещения относительно корпуса 9 и крышки 11. Рабочая часть штока 10 имеет форму конуса 13, соответственно, седло клапана (средняя часть корпуса клапана 9) имеет коническую форму для сопряжения с конусом 13. На конце штока 10 закреплен постоянный магнит 14, обращенный полюсом к разноименному полюсу постоянного магнита 15, закрепленного на торце регулятора давления 5. Фаза вдоха пациента обеспечивается потоком воздуха, подаваемого от генератора, при этом клапан 3 закрыт.Выдох начинается, когда легкие пациента наполняются дыхательной смесью и давление в камере 2 начинает возрастать. Клапан 3 начинает открывается за счет воздействия давления на конус 13 и движения штока 10 вверх, что приводит к увеличению расстояния между магнитами 14, 15 и уменьшению силы магнитного взаимодействия между ними, а дыхательная смесь через отверстия 12 выходит в атмосферу. Клапан 3 удерживается в открытом состоянии потоком выходящей дыхательной смеси за счет большой площади конуса 13. В результате выхода дыхательной смеси давление в камере 2 уменьшается и воздействие потока на конус 13 также уменьшается, расстояние между магнитами 14, 15, уменьшается, а сила магнитного взаимодействия между ними резко и нелинейно возрастает. Клапан регулировки дыхания 3 закрывается и наступает фаза вдоха. Частота дыхания регулируется как скоростью и объемом потока подаваемой смеси, так и положением крышки 11 автоматического клапана регулировки дыхания 3 (отвинчиваем - выдох дольше, подкручиваем - выдох быстрее).
Регулятор давления 5, обеспечивающий давление вдоха, встроенный в корпус 1 посредством резьбового соединения (Фиг. 1, Фиг. 2), оснащен постоянным магнитом 15, закрепленным на торце регулятора давления 5, и имеет сквозное отверстие 16, перпендикулярное оси регулятора давления 5, а также внутренний канал 17. Регулятор давления 5 работает с автоматическим клапаном 3 как единый компонент. Резьбовое соединение регулятора давления 5 с корпусом 2 позволяет осуществлять осевое перемещение регулятора давления 5 и изменять расстояние между постоянными магнитами 14 и 15. Таким образом устанавливается заданное давление в системе вентиляции, при котором начинается фаза выдоха у пациента.
Индикатор давления 6, встроенный в регулятор давления 5, связанный с давлением дыхательной смеси в камере 2 через отверстие 16 и канал 17, отображает изменения давления дыхательной смеси в форме, удобной для наблюдения и упрощает работу обслуживающего персонала. Индикатор давления 6, предлагаемый в рамках настоящего изобретения, содержит мембрану 18, поршень 19, пружину 20 и снабжен шкалой 21. Возрастающее давление, открывающее автоматический клапан дыхания 3 одновременно воздействует и на встроенную мембрану 18, которая смещает поршень 19. Перемещение поршня 19 указывает на величину давления в легких и является визуально оцениваемым по шкале 21 индикатора давления 6. При падении давления в системе вентиляции пружина 20 возвращает поршень в исходное положение.
Порт подачи дыхательной смеси 7 (Фиг. 1, Фиг. 2) для регулировки объема потока и давления на входе системы обеспечен входным штуцером 22 с прорезью 23, резьбовой регулировочной втулкой 24 и фиксирующей гайкой 25. В предлагаемом варианте изобретения вращением резьбовой регулировочной втулки 24 увеличивают/уменьшают прорезь 23, через которую происходит сброс излишней подаваемой дыхательной смеси. При необходимости прорезь 23 может быть открыта/закрыта резьбовой регулировочной втулкой 24 полностью. Благодаря предлагаемому обустройству порта подачи дыхательной смеси 7 в качестве генератора дыхательной смеси может использоваться любое генерирующее дыхательную смесь устройство, независимо от первоначальных параметров (объем потока и давление дыхательной смеси).
Клапан спонтанного вдоха 8 предназначен для дополнительной подачи атмосферного воздуха. Если у пациента происходит спонтанный вдох, то срабатывает клапан спонтанного вдоха 8 и атмосферный воздух извне поступает в камеру 2. При прекращении спонтанного входа клапан 8 закрывается, атмосферный воздух не поступает в камеру 2.
Обработка и стерилизация Автоматической системы искусственной вентиляции легких выполняется в соответствии с рекомендациями обеззараживания анестезиологической и дыхательной аппаратуры.
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы регулятором давления 5 устанавливают известное расстояние между постоянными магнитами 14 и 15, задавая определенное давление в системе, при котором у пациента начнется выдох. Через порт подачи дыхательной смеси 7 в корпус 1 подают дыхательную смесь, которая начинает заполнять легкие пациента, начинается вдох, при этом капан 3 закрыт. Затем автоматический клапан 3 срабатывает, как это было описано выше, начинается выдох. Таким образом обеспечивается цикличность дыхания. В процессе вентиляции у обслуживающего персонала существуют дополнительные возможности влияния на давление в системе: на входе входным штуцером 22 и при помощи крышки 11 автоматического клапана регулировки дыхания 3. Если у пациента возникает необходимость в дополнительной подаче воздуха при возникновении спонтанного вдоха, срабатывает клапан спонтанного вдоха 8 и атмосферный воздух извне поступает в камеру 2. При заданных оператором режимах давления, в состоянии апноэ заявляемое устройство работает автоматически, позволяя обслуживающему персоналу контролировать и обращать внимание на другие, не менее важные функции организма в случае его реанимации.
Таким образом, предложено простое, универсальное и удобное в эксплуатации устройство для поддержки дыхательных функций. Подобные системы могут использоваться как в экстренной медицине, так и при проведении оперативных вмешательств. Для работы ИВЛ могут быть использованы различные типы генераторов газовых смесей. Аппарат ИВЛ оснащен настройками, способными контролировать частоту дыхания и давление в легких пациента.
Автором были представлен и описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, но возможны иные модификации, которые не изменяют сущности и объема изобретения в границах формулы изобретения. Поэтому описание служит исключительно целям иллюстрации изобретения и ни в коем случае не ограничивает его.