АППАРАТ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ
DEVICE OF ARTIFICIAL VENTILATION OF LUNGS

Изобретение относится к медицине, а именно к механической вентиляции дыхательной системы больных в условиях нехватки имеющихся аппаратов ИВЛ при вспышках пандемий и других чрезвычайных ситуациях. Аппарат искусственной вентиляции легких (ИВЛ) - это очень дорогостоящее высокотехнологичное медицинское оборудование, предназначенное для принудительной подачи воздушной смеси, содержащей кислород, в легкие пациентов с целью насыщения крови кислородом и удаления из них углекислого газа / Царенко С.В. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007; Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986; Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С. Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978; Горячев А.С., Савин И.А. Основы ИВЛ. Руководство для врачей. Москва, 2019; Сатишур О.Е. Механическая вентиляция легких. Москва, 2006; Кассиль В.Л., Выжигина М.А., Лескин Г.С. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких Москва, 2004; Лебединский К.М., Мазурок В.А., Нефедов А.В. Основы респираторной поддержки. СПб, 2008; Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006; Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002; Papadakos P.J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology, 2008; Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition, 2006; Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill, 2013; Maclntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009; Chatburn R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition, 2004/.
Целью изобретения является создание очень недорогого простого надежного аппарата ИВЛ, работающего в режиме принудительного дыхания по времени, призванного восполнить внезапный недостаток штатного оборудования при катастрофических пандемиях, приводящих к массовой дыхательной недостаточности населения. Главной особенностью предлагаемого устройства является возможность одновременного подключения к одному аппарату ИВЛ сразу нескольких пациентов как без риска их перекрестного заражения, так и заражения самого аппарата.
Аппараты, позволяющие успешно проводить ИВЛ одновременно нескольким пациентам, экстренно были созданы в 2020 г. в Российской Федерации благодаря наличию бактерицидных фильтров, обеспечивающих 99,9% защиту от бактерий и вирусов / Электронный ресурс https://www.interfax.ru/russia/701318/. Перед госкорпорацией Ростех была поставлена задача рассмотреть возможность разработки опытных образцов одноразовых комплектов контуров вентиляции легких для двух, трех или четырех пациентов. Разработка представляет собой систему одноразовых дыхательных контуров, переходников и фильтров для вентиляции легких до четырех пациентов, исключающую перекрестное заражение между ними благодаря использованию бактерицидных фильтров /Электронный ресурс https://tass.ru/ekonomika/8104865/.
Создание недорогих «многоместных» аппаратов ИВЛ - мера вынужденная, на случай «наихудшего сценария» массовой нехватки дорогостоящего оборудования, каким являются современные аппараты ИВЛ. Аппарат ИВЛ настраивается под объем легких, сопротивление дыхательных путей и податливость легких и грудной клетки. Разумеется, подключать к одному аппарату ИВЛ следует пациентов с примерно одинаковым объемом легких, руководствуясь принципом «не навреди». Для более тонкой настройки предусмотрены заслонки окон статора перед шлангом вдоха, выполняющие также функции заглушки дыхательного контура для его отключения при отсутствии пациента.
Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности является золотниковый аппарат ИВЛ, принятый за прототип / Свияженинов Е.Д. Мультипликаторный аппарат искусственной вентиляции легких. Патент на изобретение РФ №2736948. Приоритет 29.06.2020/. Устройство по прототипу включает неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, через которые дыхательные контуры подводят кислородно-воздушную смесь к n пациентам. По внутренней поверхности статора медленно скользит равномерно вращающийся полый ротор, содержащий кислородно-воздушную смесь под требуемым для механической вентиляции легких избыточным давлением, снабженный L равномерно распределенными по окружности окнами, где L -коэффициент мультипликации - любое натуральное число: L=1, 2, 3, … Благодаря этому частота вращения ротора в L раз меньше требуемой частоты дыхания пациентов. Это абсолютно необходимо для подавления мощности сил трения скольжения ротора по внутренней поверхности статора и тепловыделения. Порции кислородно-воздушной смеси по п дыхательным контурам, расположенным по окружности аппарата ИВЛ, поступают к п пациентам. Вращающийся золотник выполняет функции скользящих клапанов - наиболее простое, надежное и недорогое устройство. В отличие от возвратно-поступательных движений, традиционно используемых в золотниковых устройствах, равномерное вращение полностью лишено их недостатков: возникновения инерционных сил и зон залипания золотника в окрестности его нулевых скоростей.
В прототипе оба клапана дыхательного контура - вдоха и выдоха, -активны, поскольку управляются вращающимся ротора. Поэтому дыхательные трубки выдоха подводятся к атмосферной секции аппарата ИВЛ, нагружая бактерицидные фильтры во избежание риска заражения аппарата. В предлагаемом устройстве такая проблема полностью исключена.
Указанная проблема решается тем, что клапаны вдоха - активны, а выдоха - пассивны: дыхательные трубки вдоха снабжены нереверсивными клапанами. При вдохе порции кислородно-воздушной смеси из аппарата ИВЛ через трубки вдоха поступают в дыхательные пути пациентов, а выдох из нереверсивных клапанов сразу уходит в атмосферу, на удалении от аппарата ИВЛ, с заданными частотой и соотношением длительностей вдоха-выдоха. Таким образом, смесь выдоха назад в шланг не поступает - "реверса" нет. Отпадает необходимость в шланге выдоха дыхательного контура, который в этом варианте становится одношланговым, с коробкой нереверсивного клапана на конце. Пациент может сделать самостоятельный вдох из атмосферы через отверстие выдоха нереверсивного клапана. В состав клапанной коробки входит предохранительный клапан, который открывается при выбранном пороговом давлении (например, 50 см. вод. ст., во избежание баротравмы пациента) и "сбрасывает" избыточное давление в атмосферу. К отверстию выдоха клапанной коробки может быть присоединен клапан ПДКВ (положительного давления конца выдоха). Помимо расширения функциональности упрощается конструкция устройства, повышается его надежность и снижается стоимость.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез аппарата ИВЛ, на фиг.2 - поперечный разрез по сечению А-А, на фиг.3 - временные развертки площади открытия S попеременно открывающихся-закрывающихся окон статора, соединяющихся с трубками вдоха, и давлений Р в дыхательных путях любого из пациентов для соотношений длительностей вдоха-выдоха 1/1 и 2/3.
Схема аппарата ИВЛ
v
Аппарат искусственной вентиляции легких (фиг.1, 2) состоит из ротора 1, боковая поверхность которого снабжена равномерно распределенными по окружности L окнами 2, где L=1, 2, 3,... - любое натуральное число - коэффициент мультипликации. Ротор 1 скользит внутри статора 3, снабженного п равномерно распределенными по его окружности окнами 4 угловой величины у  (фиг.2, для четырех окон статора: п=4) с
подсоединенными к ним п дыхательными трубками вдоха пациентов 6, где n=1, 2, 3,... - натуральное число. При одной открытой дыхательной трубке вдоха n=1 устройство работает как обычный аппарат ИВЛ индивидуального пользования. Дополнительные трубки n>1 подсоединяются путем простого открытия заслонок окон статора 5 и служат для одновременного обслуживания нескольких пациентов в случае чрезвычайных ситуаций. Все п трубок вдоха 6 отходят от аппарата ИВЛ к п пациентам и равномерно расположены по его периметру. Одним концом дыхательные трубки вдоха 6 соединены с окнами статора 4, а на других концах - замыкаются нереверсивными клапанами 7, обеспечивающих вдох и выдох пациентов через патрубки 8.
Окна статора 4 на его наружной поверхности снабжены регулирующими высоту этих окон перемещающимися в осевом направлении заслонками 5, вплоть до полной заглушки этих окон для отключения каких-либо дыхательных контуров при отсутствии некоторых из n пациентов. Каждый дыхательный контур состоит из трубки, или шланга, вдоха 6 и нереверсивного клапана 7.
Таким образом, n трубок вдоха 6 одними концами соединены с соответствующими n окнами статора 4, а другими - с n нереверсивными клапанами 7, обеспечивающими n пациентов кислородно-воздушной смесью через патрубки пациента 8 посредством интубационных трубок при инвазивной ИВЛ и лицевых масок - при неинвазивной.
Нереверсивный клапан 7, или клапанная коробка, предназначен для направления по разным каналам вдыхаемого и выдыхаемого потоков воздуха и работает следующим образом / Царенко С.В. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007; Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986; Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С. Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т.9. Москва, 1978/. При искусственном вдохе кислородно-воздушная смесь под давлением через шланг 6 и клапанную коробку 7 из патрубка 8 поступает в дыхательные пути пациента. При искусственном выдохе повышенное давление перед клапанной коробкой 7 исчезает, и отработанный воздух из дыхательных путей пациента через патрубок пациента 8, а затем - через патрубок выдоха 9 нереверсивного клапана 7 уходит в атмосферу. Таким образом, смесь выдоха назад в шланг вдоха 6 не поступает - "реверса" нет.Пациент также может сделать самостоятельный вдох из атмосферы через патрубок выдоха 9. В состав клапанной коробки 7 входит предохранительный клапан, который открывается при определенном пороговом давлении и "сбрасывает" превышенное давление в атмосферу. К патрубку выдоха 9 клапанной коробки 7 может быть присоединен клапан положительного давления конца выдоха.
В осевом направлении (фиг.1) ротор 1 представляет собой полый вращающийся барабан. Одна торцевая поверхность ротора снабжена несущей круговой пластиной 10 - силовым элементом, передающим крутящий момент ротору 1 от приводного вала 11, вращающегося с малой частотой f, по сравнению с частотой дыхания v. Другой торец ротора открыт. Этим открытым торцом полый ротор сообщается с компрессионной камерой- ресивером 12, - накопительной емкостью сжатой кислородно-воздушной смеси, предназначенной для принудительной подачи пациентам. Компрессионная камера-ресивер выполняется достаточно емкой для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей кислородно-воздушной смеси и ее прерывистым расходом. Верхняя часть камеры-ресивера выполнена суживающейся для снижения мощности сил трения скольжения, чему специально будет посвящен один из следующих разделов. Боковая наружная поверхность ротора медленно скользит по внутренней поверхности статора с малым трением. Окна ротора 2 периодически перекрывают окна статора 4, обеспечивая доступ кислородно-воздушной смеси в шланги вдоха 6 под требуемым давлением, которая и поступает далее в нереверсивный клапан 7 и через патрубок пациента 8 - в его дыхательные пути. Отработанный воздух, содержащий углекислый газ, выводится через патрубок выдоха 9.
Пусть требуется создать частоту дыхания v с соотношением длительностей вдоха и выдоха а/b на любой из L трубок вдоха 6.
ra
s
s
ra
s
Тогда частота вращения ротора должна составлять f=v/L. Окна 2 ротора 1 должны быть угловой величины γ=β/(1+b/а) - γ, где а/b - соотношение длительностей вдоха и выдоха, β=2π/L, а γ, как указано выше, - угловая величина окон статора (фиг. 2). Индексы ra у угла γ означают принадлежность окна ротору и фазе вдоха, а индекс s угловой величины γ
показывает, что это окно располагается на статоре
Принцип работы аппарата ИВЛ
Принцип работы аппарата ИВЛ заключается в том, что медленно вращающийся ротор быстро включает (период вдоха) и выключает (период выдоха) подачу кислородно-воздушной смеси к каждому пациенту. Применены полуокрытые одношланговые дыхательные контуры: одним концом дыхательные трубки 6 подключаются к источнику кислородно-воздушной смеси - окну статора 4, другим - к оконечному устройству, - нереверсивному клапану 7 с патрубком пациента 8. На период вдоха скользящие клапаны ротора открывают шлангу вдоха 6 доступ к компрессионной камере-ресиверу, и кислородно-воздушная смесь через этот шланг поступает в дыхательные пути пациента, на период выдоха - закрывают, и отработанная воздушная смесь из патрубка выдоха 9 нереверсивного клапана 7 уходит в атмосферу, т.е. смесь выдоха назад в шланг 6 не поступает.
Для пояснения принципа работы скользящих клапанов вращающегося ротора и анализа переключений вдоха-выдоха служит фиг.2. На фиг.3 изображены временные развертки площади открытия окон статора S и результирующих давлений в дыхательных путях пациентов Р для соотношений длительностей вдоха-выдоха a/b=1 и а/Ь=2/3. Здесь для определенности показан режим вентиляции для аппарата ИВЛ, рассчитанного на четырех пациентов, т.е. с 4 дыхательными контурами, п=4. Аппараты с любым другим количеством дыхательных трубок вдоха работают совершенно аналогично.
Направление вращения ротора 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f (фиг.1, 2). Далее f будет обозначать также частоту вращения ротора 1. Угловая частота вращения ротора 1 обозначена через ω и составляет ω=2я£
Работает устройство следующим образом. При вращении ротора 1 открываются (включаются) и закрываются (выключаются) окна статора 4 (сечение А-А) (фиг.1, 2). На фазе вдоха кислородно-воздушная смесь из компрессионной камеры-ресивера 12 поступает через трубку вдоха 6, нереверсивный клапан 7 и патрубок пациента 8 в его дыхательные пути, а затем, на фазе выдоха, через патрубок пациента 8, нереверсивный клапан 7 и в атмосферу (фиг. 1). Для любого из дыхательных шлангов вдоха 6 временные развертки площади S открытия окон статора 4, соединяющихся с трубками вдоха 6, и давлений Р в дыхательных путях пациентов для соотношений тактов вдоха-выдоха а/b=1 и а/b=2/3 изображены на фиг. 3.
Пусть в начальный момент времени включается какое-либо окно статора 4, с которым соединена трубка вдоха 6 дыхательного контура (фиг. 2). Кислородно-воздушная смесь под действием градиента давления начинает поступать из компрессионной камеры-ресивера 12 через трубку вдоха 6 на нереверсивный клапан 7 и далее, через патрубок пациента 8 - в его дыхательные пути (фиг. 1). Переменная во времени площадь S открывающегося окна статора как функция времени представляет собой трапецию, расположенную в положительной полуплоскости (на фиг. 3 отмечена через А-А, по обозначению поперечного сечения на фиг. 1, 2). Когда окно статора 4 выключается, начинает срабатывать нереверсивный клапан 7. Тогда смесь выдоха под действием градиента давления из дыхательных путей пациента через патрубок 8 и патрубок выдоха 9 нереверсивного клапана 7 выходит в атмосферу.
Такому временному закону площади открытия окон статора 4 отвечает вполне определенная временная развертка давления Р в дыхательных путях пациента, в том же масштабе времени также представленная на фиг. 3. Это - меандр сжатия, - положительного избыточного давления, постепенно сменяющийся нулевым избыточным давлением при переключении дыхательного контура с компрессионной камеры-ресивера 12 на патрубок выдоха 9 нереверсивного клапана 7.
Для рассматриваемого дыхательного контура фаза вдоха начинается с нулевого момента времени и заканчивается моментом безразмерного времени
a
ra
s
a
ra
s
(ω/β)t=γ/β=(γ+γ)/β=l/(l+b/a). Далее с момента времени (ω/β)t=γ/β=(γ+γ)/β и до (ω/β)t=1 длится фаза выдоха. Процесс
периодичен и повторяется с периодом (ω/β)Т=1.
Так, для соотношения длительностей вдоха-выдоха а/b=1 фаза вдоха начинается с нулевого момента времени и заканчивается моментом безразмерного времени (ω/β)t=1/2. Далее с момента времени (ω/β)t=1/2 и до (ω/β)t=1 длится фаза выдоха. Процесс периодичен и повторяется с периодом (ω/β)Т=1.
Для соотношения длительностей вдоха-выдоха а/b=2/3 фаза вдоха начинается с нулевого момента времени и заканчивается моментом безразмерного времени (ω/β)t=2/5. Далее с момента времени (ω/β)t=2/5 и до (ω/β)t=1 длится фаза выдоха. Процесс периодичен и повторяется с периодом (ω/β)Т=1.
Вращающаяся часть представленного аппарата ИВЛ имеет осевую симметрию L порядка, т.е. при повороте ее вокруг оси вращения на угол β=2π/L она совмещается сама с собой (фиг. 2). Именно это и обеспечивает полный цикл работы всех дыхательных контуров не за полный период вращения ротора-золотника, а только за его 1/L часть, обуславливая эффект мультипликации. Эффект мультипликации необходим для подавления мощности сил трения скольжения при вращении ротора по внутренней поверхности статора. Этому же служит и сужающаяся верхняя часть компрессионной камеры-ресивера, образующая горловину и уменьшающая радиус сопрягающихся трущихся поверхностей ротора и статора.
Оценка мощности сил трения на всей окружности скольжения ротора по статору
Введем обозначения:
Р - мощность сил трения вращающегося роторного золотника 1 по неподвижному статору 3,
μ - коэффициент трения между боковыми поверхностями ротора и статора, образующими пару трения,
р - нормальное давление ротора на единицу длины окружности статора,
R - радиус сопрягающихся боковых поверхностей ротора и статора,
n - число окон статора,
s
γ - угловая величина окна статора,
v - линейная скорость вращения ротора, v=ωR,
ω - угловая скорость вращения ротора.
На элемент дуги ds сопрягающихся поверхностей ротора и статора действует сила трения:
μpds.
Мощность сил трения на элементе дуги ds=Rdθ:
2
dP=μpvds=μpωRds=μpωRdθ.
Мощность сил трения на всей окружности скольжения:
Способы подавления мощности сил трения
На основе выведенной рабочей формулы мощности сил трения можно управлять ее подавлением выбором конструктивных параметров устройства, использующего вращающийся ротор-золотник.
Действительно, из аналитического выражения мощности сил трения при работе вращающегося золотника:
2
следует главный вывод: мощность сил трения Р пропорциональна угловой скорости вращения ротора со и квадрату его внешнего радиуса R.
Следовательно, подавление мощности сил трения должно обеспечиваться:
1. снижением угловой скорости вращения ротора со, что и обеспечивается заложенным в изобретение мультипликаторным принципом. Кроме того,
2. уменьшением радиуса ротора R. Поэтому в изобретении ротор 1 выполнен уменьшенного радиуса, составляющего пару скольжения со статором 3, закрепленным на суженной горловиной весьма габаритной, а следовательно, объемной компрессионной камеры-ресивера 12.
Необходимость большого объема компрессионной камеры-ресивера
Компрессионная камера-ресивер - это сосуд для накопления сжатой кислородно-воздушной смеси, предназначенный, главным образом, для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей и прерывистостью расхода проходящей кислородно-воздушной смеси.
Покажем, что для выполнения этих функций сглаживания колебаний давления объемные размеры камеры-ресивера должны быть достаточно велики.
Для смеси газов переменной массы справедливо уравнение Менделеева-Клапейрона:
где:
р - давление кислородно-воздушной смеси,
V - постоянный объем компрессионной камеры-ресивера,
m - переменная масса кислородно-воздушной смеси в ресивере из-за ее пульсирующей подачи и прерывистости расхода,
i
i
μ. - эквивалентная молярная масса кислородно-воздушной смеси, состоящая из n принятых существенных i-ых компонент, каждая - со своей молярной массой μ и массой m, рассчитытываемая по известной формуле / Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов/ Под ред. А.Г. Стромберга. - 7-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2009. -527 с./:
причем все отношения , i - от 1 до n, при флуктуациях кислородно-воздушной смеси в ресивере постоянны,
R - универсальная газовая постоянная,
Т - абсолютная температура.
Изменение давления р кислородно-воздушной смеси, находящейся в ресивере, из-за изменения ее массы m получаем дифференцированиемфункции p(m, Т) по m:
Отсюда следует, что чем больше объем компрессионной камеры-ресивера V, тем меньше изменения давления р из-за пульсирующей подачи и прерывистости расхода массы кислородно-воздушной смеси т, т.е. тем более постоянно давление р в ресивере.
Технические характеристики аппарата ИВЛ. Сводка основных формул
Главными характеристиками аппаратов ИВЛ являются частота дыхания v и соотношение длительностей вдоха-выдоха а/b на каждом дыхательном контуре. Отметим, что отношение длительностей вдоха-выдоха а/b в англоязычной литературе традиционно обозначается через i/e (от англ. "inspiration" - вдох, "exspiration" - выдох).
Частота дыхания v на каждом контуре определяется исключительно частотой вращения f ротора-золотника:
v=Lf.
a
ra
s
b
ra
s
Соотношение длительностей вдоха-выдоха а/b определяется конструктивными углами γ=γ+γ и γ=β-γ-γ, обеспечивающими фазы вдоха и выдоха соответственно (фиг. 2, 3):
где
β=2π/L,
L - число окон ротора.
ra
Заметим, что угловая величина β равна сумме угловых величин окна ротора γ и его экрана.
а
b
Из соотношений (1), (2) имеем формулы для выбора конструктивных углов γ и γ по заданным соотношениям длительностей вдоха-выдоха а/b на каждом дыхательном контуре:
a
γ=β/(1+b/а),
b
γ=β/(1+а/b),
а
b
или формулы для соотношений длительностей вдоха-выдоха а/b на каждом дыхательном контуре по конструктивным углам γ и γ:
a
а
b
а/b=γ/(β-γ)=β/γ-1,
b
b
a
b/а=γ/(β-γ)=β/γ-1,
где
а
ra
s
ra
s
γ=γ+γ - суммарная угловая величина окон ротора γ и статора γ
b
ra
s
ra
s
γ=β-γ-γ - угловая величина экрана ротора β-γ за вычетом угловой величины статора γ.
Время замкнутого состояния τ (время перекрытия окон ротора и статора), в течение которого происходит вдох пациента, составляет:
а
a
b
τ=1/(+b/a)/v=γ/β/v=(1-γ/β)/v.
Время разомкнутого состояния, в течение которого происходит выдох пациента, составляет:
b
b
a
τ=1/(1+a/b)/v=γ/β/v=(1-γ/β)/v.
Частные случаи конструктивного исполнения ротора, приводящие к особым физическим волновым явлениям
1. Пусть число окон ротора L кратно числу окон статора n, т.е. ротор содержит L=mn окон, где m - любое натуральное число: m=1, 2, 3, … Тогда все n дыхательных контуров по времени работают синфазно, или синхронно (одновременно), и пульсация на них носит характер стоячей волны. Полный цикл работы устройства осуществляется за время поворота ротора на угол 2π/(mn). Расчетные формулы примут вид:
v=mnf,
a
τ=1/(1+b/a)/(mnf) - для времени вдоха,
b
τ=1/(1+a/b)/(mnf) - для времени выдоха.
2. Пусть ротор содержит L=mn+1 окон. Тогда все n дыхательных трубок вдоха пациентов по времени работают последовательно с одинаковым отставанием по фазе и пульсация на них носит характер бегущей волны, частота вращения которой ровно в mn+1 раз превышает частоту вращения ротора. Направление вращения этой волны пульсаций совпадает с направлением вращения ротора. Поэтому назовем генерируемую волну пульсаций на всех дыхательных трубках попутной, или прямой. Полный цикл работы устройства осуществляется за время поворота ротора на угол 2π/(mn+l). Расчетные формулы примут вид:
v=(mn+1)f,
а
τ=1/(1+b/a)/(mn+l)/f - для времени вдоха,
b
τ=1/(1+a/b)/(mn+l)/f - для времени выдоха.
3. Пусть ротор содержит L=mn-1 окон. Тогда все n дыхательных контуров также работают последовательно с одинаковым отставанием по фазе и пульсация на них носит характер бегущей волны, частота вращения которой ровно в mn-1 раз превышает частоту вращения ротора. Но направление вращения этой волны пульсаций противоположно направлению вращения ротора. Поэтому назовем генерируемую волну пульсаций на всех дыхательных контурах встречной, или обратной. Расчетные формулы примут вид:
v=(mn-l)f,
а
τ=1/(1+b/a)/(mn-1)/f - для времени вдоха,
b
τ=1/(1+a/b)/(mn-l)/f - для времени выдоха.
Примеры расчета аппаратов ИВЛ, работающих на стоячей, а также вращающихся прямой и обратной волнах
Итак, основными характеристиками аппаратов ИВЛ являются частота дыхания v и соотношение длительностей вдоха-выдоха а/b на каждом дыхательном шланге пациента.
Частота дыхания v определяется частотой вращения f ротора-золотника, которая допускает простое изменение в рабочем режиме:
v=Lf.
Соотношение длительностей вдоха-выдоха а/b:
a
a
а/b=γ/(β-γ), где
β=2π/L,
тогда для синхронной вентиляции имеем:
v=mn f,
a
a
a/b=γ/(2π/(mn)-γ,
для прямой:
v=(mn+l)f,
а
a
а/b=γ/(2π/(mn+1)-γ),
для обратной:
v=(mn-1)f,
a
a
a/b=y/(2π/(mn-1)-γ
а
ra
s
ra
s
где γ=γ+γ - суммарная угловая величина окон ротора γ и статора γ.
a
Таким образом, соотношение длительностей вдоха-выдоха а/b определяется конструктивным углом γ и числами m, n.
1. Пример расчета режима синхронной вентиляции, когда работа всех дыхательных контуров синфазна и образует на них стоячую волну, частота которой в mn раз превышает частоту вращения ротора.
В качестве первого примера рассчитаем схему синхронной вентиляции для 4-оконного статора, n=4, посредством mn-оконного ротора, для последовательных значений коэффициента m=1, 2, 3. Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров статора составляет 20 тактов в минуту, или v=.33 Гц, т.е. период дыхания - 3 с. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора составят:
Т=mn/v, f=v/(mn).
2. Пример расчета режима прямой вентиляции, когда последовательность работы дыхательных контуров совпадает с направлением вращения ротора и образует на этих контурах вращающуюся волну, частота вращения которой в mn+1 раз превышает частоту вращения ротора.
В качестве второго примера рассчитаем схему прямой вентиляции для 4-оконного статора, n=4, посредством mn+1-оконного ротора, для последовательных значений коэффициента m=1, 2, 3. Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров статора составляет 20 тактов в минуту, или v=.33 Гц, т.е. период дыхания - 3 с. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора составят:
Т=(mn+1)/v, f=v/(mn+1).
3. Пример расчета режима обратной вентиляции, когда последовательность работы дыхательных контуров противоположна направлению вращения ротора и образует на контурах вращающуюся волну, частота вращения которой в mn-1 раз превышает частоту вращения ротора.
В качестве третьего примера рассчитаем схему обратной вентиляции для 6-оконного статора, n=6, посредством mn-1-оконного ротора, для последовательных значений коэффициента m=1, 2, 3. Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров статора по-прежнему составляет 20 циклов в минуту, или v=.33 Гц, период дыхания - 3 с. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора составят:
Т=(mn-1)/v, f=v/(mn-1).
Общий вывод. Учитывая, что для однооконного ротора период вращения составлял бы 3 с, получаем, что для мультипликаторного ротора период вращения увеличивается на порядок и более. Таким образом, наглядно виден эффект мультипликации частоты дыхания, проявляющийся в mn, mn+1 или mn-1-кратном снижении требуемых частот вращения многооконного ротора. Это обусловлено тем, что все время вращения многооконного ротора эффективно расходуется на совершение главной его функции - создание импульсов давления на окнах статора, а непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота его единственного окна к следующим окнам статора полностью исключено.
Отметим, что вышеприведенные таблицы для 4-оконного статора при синхронной и прямой вентиляции и 6-оконного при обратной - весьма схожи. Это подтверждает, что и синхронная с коэффициентом мультипликации mn, и прямая mn+1, и обратная mn-1 вентиляция, обладают одинаковой эффективностью.
Когда n мало, например, 4, как в первом и втором примерах, выгоднее использовать синхронную или прямую вентиляцию, когда же n велико, например, 6, как во втором примере, - обратную, потому что конструктивно ширина окон ротора при этом получается приблизительно одна и та же.
Главное, что увеличением коэффициента мультипликации L и уменьшением внутренней поверхности статора через уменьшение горловины ресивера можно неограниченно снижать скорости скольжения ротора-золотника по внутренней поверхности статора, чтобы подавить мощность сил трения и тепловыделение, из-за которых до сих пор равномерно вращающиеся золотники малоупотребительны в машиностроении по сравнению с возвратно-поступательными, несмотря на их большую простоту, надежность, экономичность, а также отсутствие инерционных нагрузок и зон залипания ротора в окрестностях его нулевых скоростей.
Так приходим к понятию мультипликации, означающему, что малая частота вращения ротора дает высокую частоту волны реакции статора. Эта волна может быть стоячей, как в случае синхронной вентиляции, или бегущей, как в случаях прямой или обратной вентиляции. Сопутствующим эффектом является возможность изменения направления вращения волны реакции статора на противоположное направлению вращения ротора, используемая в режиме обратной вентиляции.
Выводы. Технический результат
1. Представленный аппарат искусственной вентиляции легких позволяет, прежде всего, эффективно работать и в индивидуальном режиме. При возникновении чрезвычайных ситуаций предложенный аппарат ИВЛ сразу приспособлен к подключению нескольких пациентов. Число работающих дыхательных контуров для каждого пациента определяется количеством открытых окон статора п.
2. При одновременном подключении к одному аппарату ИВЛ сразу нескольких пациентов абсолютно исключены риски как их перекрестного заражения, так и заражения самого аппарата, что достигается применением нереверсивных клапанов.
3. Используется стандартный набор серийно выпускаемых всеми основными фирмами-производителями комплектующих: трубки вдоха, нереверсивные клапаны, обеспечивающие больных кислородно-воздушной смесью через патрубки пациентов посредством интубационных трубок при инвазивной ИВЛ и лицевых масок - при неинвазивной.
4. Благодаря эффекту мультипликации удается использовать наиболее простые и надежные медленно вращающиеся золотники, выполняющие функции постоянно вращающихся скользящих клапанов, обеспечивающие требуемые частоты дыхания. При низких скоростях вращения роторов-золотников подавляется мощность сил трения и тепловыделение, что обуславливает их функциональность. Достигнут оптимальный режим аппарата ИВЛ с вращающимся многооконным ротором-золотником по критерию обслуживания дыхательных контуров. Мультипликаторный коэффициент определяется количеством окон ротора L.
5. Подавлению мощности сил трения способствует и особая геометрическая форма объемной камеры-ресивера с зауженной горловиной.
6. Определены особые режимы мультипликаторных стоячих и бегущих вращающихся волн работы дыхательных контуров устройства, причем вращающиеся волны могут быть как попутные, так и встречные относительно направления вращения ротора.
7. Варьирование частоты дыхания осуществляется путем простого изменения частоты вращения ротора-золотника. Соотношение длительностей вдоха-выдоха определяются угловой величиной окон ротора.
8. Применено наиболее простое экономичное золотниковое распределение кислородно-воздушной смеси под небольшим избыточным давлением сразу по нескольким дыхательным контурам. Пневматическая энергия расходуется только на питание дыхательных контуров, тогда как активация механизма аппарата ИВЛ осуществляется наиболее простым приводом постоянного медленного вращения, что оптимизирует форму кривых давления в дыхательных контурах по критерию купирования дыхательной недостаточности.
9. Предложенное устройство особенно эффективно для реализации высокочастотной ИВЛ, когда другие средства затруднительны.
10. Устройство отличает простота, надежность и экономичность, что повышает мобилизационные возможности разворачивания техники при внезапных пандемиях.
Использованная литература
1. Царенко С.В. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007.
2. Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986.
3. Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С. Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978.
4. Горячев А.С., Савин И.А. Основы ИВЛ. Москва, 2019.
5. Полупан А.А., Горячев А.С., Савин И.А. Асинхронии и графика ИВЛ. Москва, 2017.
6. Сатишур О.Е. Механическая вентиляция легких. Москва, 2006.
7. Кассиль В.Л., Выжигина М.А., Лескин Г.С. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких Москва, 2004.
8. Лебединский К.М., Мазурок В.А., Нефедов А.В. Основы респираторной поддержки. СПб, 2008.
9. Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006.
10. Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002.
11. Papadakos P.J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology, 2008.
12. Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition 2006.
13. Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill 2013.
14. MacIntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009.
15.Chatburn R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition 2004.
16.Электронный ресурс https://www.interfax.ru/russia/701318.
17.Электронный ресурс https://tass.ru/ekonomika/8104865.
18. Свияженинов Е.Д. Мультипликаторный аппарат искусственной вентиляции легких. Патент на изобретение РФ №2736948. Приоритет 29.06.2020 (прототип).
19. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов/ Под ред. А.Г. Стромберга. - 7-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2009. - 527 c.