АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕРДЕЧНО-ЛЕГОЧНОЙ РЕАНИМАЦИИ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Полезная модель автоматического устройства для сердечно-легочной реанимации в экстремальных условиях относится к области медицинской техники, а именно к устройствам для сердечно-легочной реанимации, и может быть использовано при прекращении сердечной деятельности человека как в экстремальных условиях (природные и экологические катастрофы, военно-полевые действия), так и в других условиях (домашних, производственных, в машинах скорой помощи и т.п.).
Известно устройство для компрессионно-декомпрессионной реанимации (Патент РФ №2180827, МПК А61Н 31/00, опубликован 27.03.2002), предназначенное для закрытого (непрямого) массажа сердца в различных условиях, содержащее опорную площадку (платформу), размещаемую под грудной клеткой пациента, штангу со шкалой в единицах длины, позволяющей определять размер грудной клетки, подвижный блок регулировки параметров создаваемого вручную точечного усилия воздействия на грудную клетку, рычаг с подвижным контактным элементом в виде присоски, номограмму для определения оптимальных параметров компрессии и декомпрессии, полученную экспериментальным путем.
К недостаткам данного устройства следует отнести: во-первых, невозможность использования в процессе переноса пациента из-за громоздкости (габаритов) конструкции, например, в узких проходах, при спуске с верхнего этажа здания на нижний этаж или при переносе из помещения в машину скорой помощи; во-вторых, значительная физическая нагрузка на реаниматора при выполнении непрямого массажа сердца (создании компрессии); в-третьих, использование шкал и номограмм для определения физиологических параметров пациента создает неудобства для реаниматора и может привести к ошибкам при выборе требуемых параметров процесса реанимации.
Известно устройство для сердечно-легочной реанимации LUCAS (Лукас) производства Michigan Instruments (США) для проведения непрямого массажа сердца (http://adhara.ru/articles/autopulse and_cpr.htm), содержащее платформу для размещения пациента, вертикальную стойку для закрепления пневматического механизма циклического силового точечного воздействия на центральную часть грудной клетки (грудину) посредством толкателя с упругим элементом на конце, а также баллон со сжатым кислородом или воздухом.
Известно автоматическое устройство для сердечно-легочной реанимации LUCAS-2 (Лукас-2) (http://www.dealmed.ru/ustrojstvo_dlja_serdechno_legochnoj_reanimacii_lucas_2.html), используемое для восстановления и поддержания естественной циркуляции крови у пациентов с не работающим сердцем, обеспечивающее глубину и частоту продавливания грудной клетки согласно установленным параметрам и с необходимым постоянством. Устройство содержит размещаемую под спиной пациента платформу с шарнирно прикрепленными к ней одними концами дугообразными жесткими полуарками, соединенными другими концами с корпусом циклического механизма с электроприводом для силового точечного воздействия на центр грудной клетки (грудину) посредством толкателя с упругим элементом на конце в виде сильфона, а также автономный источник электроэнергии в виде аккумуляторных батарей.
Общим недостатком устройств LUCAS и LUCAS-2 является, во-первых, отсутствие возможности обеспечения равномерного сжатия всей грудной клетки, что снижает эффективность воздействия на легкие с целью их вентиляции; во-вторых, наличие вертикальной стойки или дугообразных полуарок существенно увеличивает габариты устройств по высоте, затрудняя тем самым эвакуацию пациентов из аварийных помещений и строений через узкие и невысокие проходы; в-третьих, высокое расположение по отношению к платформе центра тяжести механизма для создания усилия деформации грудной клетки затрудняет перемещение работающего устройства с пациентом по лестничным переходам, например, с верхнего этажа строения на нижний, из помещения в машину скорой помощи, а в процессе перевозки будут происходить угловые смещения устройства (наклоны стойки), негативно влияющие на параметры процесса реанимации.
Использование в составе устройства LUCAS-2 механизма воздействия на грудную клетку с электрическим приводом существенно усложняет его конструкцию из-за необходимости преобразования вращательного движения ротора приводного электродвигателя в поступательное перемещение толкателя, а также необходимости увеличения крутящего момента на выходе для получения нужного усилия для деформации грудной клетки. Все это приводит к снижению надежности работы устройства, повышению металлоемкости и энергозатрат.
Выбранное в качестве прототипа автоматическое устройство для сердечно-легочной реанимации (https://www.zoll.com/ru/medical-products/resuscitation-system/autopulse/ems; http://adhara.ru/articles/autopulse_and_c.pr.htm.) содержит коробчатую платформу, располагаемую под спиной пациента, внутри которой размещен снабженный электроприводом механизм циклического действия для натяжения лент, охватывающих грудную клетку пациента, связанных с застегивающимся на груди тканевым бандажом.
После размещения пациента на платформе, застегивания бандажа, подтяжки лент до контакта с телом и измерения окружности груди, устройство переходит в режим работы, обеспечивающий сжатие грудной клетки с заданной частотой и с необходимым усилием, в результате чего достигается сокращение сердечной мышцы со всех сторон, увеличение сердечного выброса крови, а также сокращение легких с последующим их распрямлением во время паузы между циклами нагружения, т.е. осуществляется пассивная вентиляция легких без применения аппарата искусственной вентиляции легких.
К недостаткам, присущим прототипу, можно отнести следующее.
Во-первых, сложность и металлоемкость конструкции механизма циклического натяжения лент бандажа, в составе которого используется электрический привод, требующий наличия механических преобразователей вращательного движения ротора приводного электродвигателя в поступательное движение лент и механических усилителей создаваемого электродвигателем крутящего момента, с целью обеспечения требуемого усилия сжатия грудной клетки.
Во-вторых, циклический режим работы электродвигателя с высокой частотой реверсирования обладающего большой инерционностью ротора (до 100…110 циклов сокращения сердца в минуту), создает большие знакопеременные нагрузки на конструктивные элементы механизма натяжения лент, вызывая их повышенный износ и поломки, а также снижает точность измерения требуемых перемещений лент при их натяжении.
Указанные недостатки усложняют конструкцию устройства, повышают ее металлоемкость и энергоемкость, снижают надежность и долговечность работы.
Целью предлагаемой полезной модели автоматического устройства для экстремальных условий является упрощение конструкции, снижение металлоемкости, и как следствие, повышение надежности, долговечности работы.
Достижение поставленной цели обеспечивается тем, что в автоматическом устройстве для сердечно-легочной реанимации в экстремальных условиях, содержащем коробчатую платформу для размещения на ней пациента, тканевый бандаж в виде грудных накладок с лентами и застежками, установленный внутри платформы механизм циклического натяжения лент, размещенных в отверстиях с направляющими роликами на боковых сторонах платформы, блок управления и автономный источник электроэнергии, механизм циклического натяжения лент включает в себя последовательно установленные соосно внутри платформы и соединенные между собой сильфонными муфтами неполноповоротный пневматический двигатель, датчик крутящего момента с интегрированной системой измерения угла поворота и скорости вращения и вал со шкивом. Шкив имеет выполненные на его обращенной наружу торцовой поверхности диаметрально и симметрично расположенные относительно его оси два глухих отверстия с односторонними радиальными прорезами в сторону наружной цилиндрической образующей шкива, в которых установлены цилиндрические пальцы для имеющих форму петель концов лент.
На концах грудных накладок в местах их соединения между собой закреплены обращенные в сторону грудины упоры в виде выступов из упругого материала.
Электрические выходы датчика крутящего момента и автономного источника электропитания соединены с соответствующими входами блока управления, выходы которого подключены к электрическим входам пятилинейного трехпозиционного пневмораспределителя, пневматический вход которого соединен посредством регулятора давления с баллоном сжатого газа, а пневматические рабочие выходы соединены со входами неполноповоротного пневмодвигателя.
Между совокупностью заявляемых признаков полезной модели и ожидаемым техническим результатом, получаемым с помощью предлагаемого автоматического устройства для сердечно-легочной реанимации, существует следующая причинно-следственная связь.
Во-первых, используемый в составе механизма импульсного натяжения лент бандажа пневматический привод на базе неполноповоротного пневмодвигателя со шкивом на выходном валу, обеспечивает поступательным перемещением лент бандажа при их наматывании на шкив, не требует применения специальных (дополнительных) преобразователей вращательного движения в поступательное.
Во-вторых, нет необходимости использовать в составе пневмопривода специальных усилителей мощности (например, редукторов) для обеспечения требуемых усилий сжатия грудной клетки, поскольку достижение требуемой мощности обеспечивается использованием неполноповоротного пневмодвигателя большего типоразмера без изменения конструкции механизма циклического натяжения лент или повышением рабочего давления газа с помощью регулятора давления.
В-третьих, поскольку удельная мощность пневмопривода (мощность, затрачиваемая на единицу веса) больше удельной мощности электропривода, обеспечивается снижение металлоемкости и уменьшение энергозатрат.
В-четвертых, отсутствие в составе устройства специальных преобразователей движения и усилителей мощности (крутящего момента) упрощает конструкцию, снижая тем самым вероятность отказа от срабатывания и увеличивая надежность и долговечность работы.
В-пятых, используемый в составе устройства пятилинейный трехпозиционный пневмораспределитель с электромагнитным управлением упрощает настройку и обслуживание, так как в нейтральном (среднем) положении его запорного элемента (золотника), когда все рабочие выходы сообщены с выхлопом, поршень в виде лопасти пневмодвигателя, а, следовательно, и связанный с ним шкив с лентами, могут вращаться вручную без сопротивления, создаваемого давлением находящегося в рабочих полостях сжимаемого газа.
На фиг. 1 представлена схема автоматического устройства для сердечно-легочной реанимации; на фиг. 2 - конструкция механизма циклического натяжения лент; на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг. 2.
Автоматическое устройство (фиг. 1) содержит плоскую коробчатую платформу 1 прямоугольной формы длиной L и шириной В, размещаемую под спиной пациента 2, тканевый бандаж, состоящий из соединенных между собой с помощью застежки 3 грудных накладок 4 и 5, на прилегающих к застежке концах которых закреплены обращенные в сторону впадины грудины 6 упоры 7 и 8 в виде выступов из упругого материала, например, силиконовой резины.
К обращенным наружу сторонам накладок прикреплены одним из своих концов с возможностью изменения рабочей длины ленты 9 и 10, которые через отверстия 11 и 12 с направляющими роликами 13 и 14 на сторонах платформы длиной L, соединены другими своими концами в форме петель 15 и 16 посредством цилиндрических пальцев 17 и 18 со шкивом 19 диаметром D и шириной С механизма их циклического натяжения, размещенного внутри платформы (фиг. 2 и 3).
Цилиндрические пальцы установлены в центре глухих отверстий 20 и 21, выполненных со стороны обращенной наружу торцовой поверхности шкива, расположенных симметрично его оси в одной диаметральной плоскости, и имеющих односторонние радиальные прорезы 22 и 23 в сторону наружной цилиндрической образующей шкива диаметром D.
Шкив закреплен с помощью штифта 24 на одном из концов вала 25 (фиг. 2), установленного в подшипниках скольжения 26 кронштейна 27, прикрепленного изнутри к коробчатой платформе. Другой конец вала соединен с помощью сильфонной муфты 28 с одним из концов ротора соосно установленного датчика крутящего момента 29, например, типа Т-22 (http://www.hbm.ru/catalog/datchiki/datchik-krutyashchego-momenta-t22/) с интегрированной системой измерения угла поворота и скорости вращения, другой конец ротора которого соединен с помощью сильфонной муфты 30 с выходным валом 31 соосно установленного неполноповоротного пневматического двигателя (поворотного привода) 32 (фиг. 1), например, типа DRVS - 40 - 180 - р (www.festo.com/cat/ru_ru/products_DRVS) с углом поворота выходного вала от 0 до 180°, что обеспечивает поворот шкива на такой же угол.
Датчик и пневмодвигатель, как и кронштейн вала шкива, прикреплены изнутри к платформе.
Пневматические входы пневмодвигателя соединены трубопроводами 33 и 34 с рабочими пневматическими выходами пятилинейного трехпозиционного пневмораспределителя с электромагнитным управлением 35, пневматический вход которого соединен посредством трубопровода 36, регулятора давления 37 с манометром 38 и вентиля 39 с баллоном сжатого газа 40, а его электрические входы подключены к соответствующим выходам блока управления 41, один из входов которого подключен к выходу автономного источника электроэнергии 42, а другой - к электрическому выходу датчика крутящего момента 43.
Для устранения самопроизвольного соскальзывания петель лент с цилиндрических пальцев в глухих отверстиях шкива предназначена поворотная упругая защелка 44, установленная на валу шкива с помощью шайбы 45.
Подготовка устройства к работе и работа в режиме реанимации осуществляется поэтапно в следующей последовательности.
На первом этапе подготовки включается подача электроэнергии от автономного источника питания 42 к блоку управления 41, а через него к датчику крутящего момента 30.
По команде с пульта управления, входящего в состав блока управления, пневмораспределитель 35 переключается в среднее (нейтральное) показанное на фиг. 1 положение, при котором его рабочие выходы сообщены с выхлопом, и шкив 19 может вращаться вручную без сопротивления, создаваемого давлением сжимаемого лопастью пневмодвигателя газа (воздуха, кислорода), находящегося в его рабочих полостях, который будет свободно перетекать через каналы пневмораспределителя из одной рабочей полости в другую, что существенно упрощает обслуживание устройства (регулировку, наладку) в процессе подготовки его к работе в автоматическом режиме.
Затем открывается вентиль 39 и с помощью регулятора давления 37 с манометром 38 устанавливается требуемое рабочее давление газа (в пределах 3,0…6,0 МПа), поступающего под высоким давлением из баллона 40.
Пациент 2 (фиг. 1) размещается на платформе 1 таким образом, чтобы центр его грудины находился в плоскости, проходящей через отверстия 11 и 12 на одинаковом расстоянии от них, и фиксируется на ней привязными ремнями (на фиг. не показаны).
Затем устройство переводится в исходное состояние, для чего пневмораспределитель 35 переключается в крайнее левое положение, при котором сжатый газ поступает из трубопровода 36 по трубопроводу 34 в соответствующую рабочую полость пневмодвигателя, вызывая поворот его поршня (лопасти) в крайнее положение, обеспечивающее вращение шкива 19 и расположение его диаметральной плоскости с выполненными в ней глухими отверстиями 20 и 21 параллельно платформе (фиг. 1 и 3), что позволяет максимально вытянуть прикрепленные к шкиву ленты 6 и 10 из платформы и установить датчик крутящего момента 29 на ноль.
С помощью застежки 3, например, в виде крючков с петлями, грудные накладки 4 и 5 бандажа соединяются между собой, а с помощью пряжек на накладках и цифровых меток на лентах (на фиг. не показаны) производится предварительная ручная подтяжка лент к телу пациента с целью устранения их чрезмерного провисания и обеспечения рабочей длины, необходимой для осуществления режима реанимации, соответствующей ближайшему рабочему размеру в пределах принятого размерного ряда, использованного при разработке управляющей программы, заложенной в память контроллера блока управления. Выбранная цифровая метка также заносится с помощью пульта управления в память блока управления.
На втором этапе осуществляется автоматическая подтяжка лент бандажа до полного контакта с грудью пациента и определяется длина ее окружности, что необходимо для автоматического выбора требуемых параметров режима реанимации. Для этого пневмораспределитель переключается, например, в крайнее правое положение, сжатый газ поступает по трубопроводу 33 в другую рабочую полость пневмодвигателя, обеспечивая вращение его выходного вала 31 и соединенного с ним вала 25 со шкивом 19, например, по часовой стрелке, а, следовательно, и натяжение лент 6 и 10, наматываемых на шкив.
При достижении полного контакта грудных накладок, упоров и лент с телом пациента происходит увеличение контролируемого датчиком 29 крутящего момента, что является сигналом для прекращения подтяжки и переключения пневмораспределителя в нейтральное положение, а по величине угла поворота ротора датчика при осуществлении полной подтяжки лент, с помощью программы, установленной в блоке управления, определяется величина перемещения лент, окружность грудной клетки пациента и рекомендуемая величина ее прогиба в зоне грудины без повреждения ребер.
На третьем этапе реализуется автоматический режим реанимации, состоящий из двух фаз - компрессии (сжатия) и декомпрессии (разжатия) грудной клетки, что равнозначно соответственно выдоху и вдоху.
Для реализации фазы компрессии пневмораспределитель снова переключается в правое положение, т.е. в положение, при котором осуществлялась подтяжка лент, и сжатый газ, поступая в соответствующую рабочую полость пневмодвигателя, вызывает вращение его выходного вала 31 и соединенного с ним шкива 19, например, по часовой стрелке, что приводит к натяжению лент 9 и 10, наматываемых на шкив и к созданию в зонах контакта упоров 7 и 8 с впадиной грудины 6 усилий F, а в зонах контакта лент с ребрами распределенных сжимающих усилий q, вызывающих уменьшение длины окружности грудной клетки и прогиб грудины 6 на величину δ.
Для реализации фазы декомпрессии пневмораспределитель переключается в крайнее левое положение. Сжатый газ, поступая в другую рабочую полость пневмодвигателя, вызывает вращение его выходного вала со шкивом против часовой стрелки. Натяжение лент устраняется, что позволяет ребрам за счет накопленной в них при сжатии энергии упругих деформаций вернуть грудную клетку в исходное состояние, т.е. увеличить до первичной длины ее окружность циклического нагружения грудной клетки, т.е. частоту следования вдоха и выдоха.
Диаметр D шкива 19, обеспечивающего натяжение лент при их намотке на него, определяется с учетом следующих рекомендаций.
Средняя длина окружности груди взрослого человека (мужчины) равна 870,0 мм (http://opnevmonii.ru/wp-content/uploads/2017/01/Рисунок_1.jpg) (Таблица измерений), а рекомендуемая глубина прогиба грудины при закрытом массаже сердца должна составлять у взрослых 50,0…60,0 мм (http://okardio.com/ostalnoe/serdechno-legochnaya-reanimaciya-590.html).
Расчеты показывают, что для обеспечения прогиба грудины δ=50 мм необходимо уменьшить длину окружности грудной клетки за счет сжатия на 154 мм, т.е. каждая лента после подтяжки должна переместиться при намотке на шкив на 77 мм.
Учитывая вышеизложенное, длина полуокружности шкива πD/2 диаметром D должна быть равна сумме перемещений каждой из лент при подтяжке, (например, 30.0 мм), при сжатии груди (77,0 мм) и некоторого резервного перемещения (например, 20,0 мм),
т.е. πD/2=30,0+77,0+20,0=127 мм,
откуда D≈81 мм.
Величины перемещения лент при подтяжке и при сжатии грудной клетки определяются через угол поворота ротора датчика крутящего момента 29.