Автоматический анализ спирограмм при искусcтвенной вентиляции лёгких тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат наук Саламонова, Ирина Сергеевна

• Саламонова, Ирина Сергеевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Саламонова, Ирина Сергеевна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СПИРОГРАММА. ИСКУССТВЕННАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛЁГКИХ

1Л. Искусственная вентиляция лёгких

1.2. Общие понятия о спирометрии

1.3. Модели системы внешнего дыхания

1.3.1. Двухкомпонентная модель системы внешнего дыхания

1.4. Режимы дыхания при искусственной вентиляции лёгких

1.5. Автоматизация анализа состояния пациента и вычисление параметров дыхания при искусственной вентиляции лёгких

1.6. Аппараты и системы, обеспечивающие поддержание внешнего дыхания пациента при искусственной вентиляции лёгких

1.7. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ ПАЦИЕНТА ПРИ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ

2.1. Задача вычисления параметров дыхания по спирографическим кривым (потоку, объёму и давлению)

2.2. Электрическая модель системы внешнего дыхания

2.2.1. Электрическая модель при управлении вдохом по объёму (потоку)

2.2.2. Электрическая модель при управлении вдохом подавлению

2.3. Методы оценки параметров внешнего дыхания пациента при ИВ Л, основанные на анализе электрической модели

2.4. Разработка алгоритма вычисления параметров дыхания

2.4.1. Предобработка исходных сигналов

2.4.2. Вычисление значений растяжимости лёгких и сопротивления дыхательных путей

2.4.3. Подбор параметров для реализации алгоритма

2.4.4. Вычисление значений постоянной времени

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ КОМПЛЕКСА СПИРОМЕТРИЧЕСКИХ КРИВЫХ И ФОРМЫ ПЕТЛИ «ОБЪЁМ-ДАВЛЕНИЕ»

3.1. Описание состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых

3.1.1. Разработка алгоритма для анализа состояния пациента по спирометрическим кривым

3.2. Динамика формы петли. Почему она важна врачам?

3.3. Вычисление параметров внешнего дыхания по петлям

3.3.1. Петля «объём-давление»

3.3.2. Способы описания формы петель

3.3.3. Алгоритм динамического анализа петель «объём-давление» по их сигнатурам

3.3.4. Результаты экспериментальных исследований

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Описание съёма и регистрации данных

4.2. Применяемое программное обеспечение - MATLAB

4.3. Результаты вычисления параметров дыхания по спирометрическим кривым! 1

4.4. Описание состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых

4.4.1. Описание разработанной программы

4.4.2. Результаты экспериментов

4.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПОСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматический анализ спирограмм при искусcтвенной вентиляции лёгких»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы и степень ее разработанности. Аппараты искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ), которыми оснащены все отделения реанимации и интенсивной терапии, наряду с кардиомониторами являются основными жизнеобеспечивающими приборами. Основная функция аппаратов заключается в снабжении лёгких пациента необходимой для дыхания газовой смесыо и выводе из них углекислого газа и других компонентов воздушной смеси. Она необходима для сохранения жизни пациентам в тех случаях, когда они не способны дышать самостоятельно. Кроме этого в современных аппаратах ИВЛ необходимо наличие диагностических функций, позволяющих на ранних стадиях обнаруживать развитие состояний, угрожающих жизни пациента. К таким опасным состояниям можно отнести, например, отёк лёгких, обструктивные нарушения в бронхолегочной сис теме пациента.

Особенно важно проводи ть раннюю диагностику патологий органов дыхания в ходе непрерывного контроля за состоянием пациента при ИВЛ, в отделении реанимации или в операционной. Такая диагностика основана на автоматическом анализе основных параметров внешнего дыхания, а также обнаружении существенных отклонений в заданных режимах ИВЛ. Например, при увеличении растяжимости лёгких увеличивается дыхательный объём. Причины, вызывающие повышение экспираторного сопротивления (сопротивления на выдохе), включают в себя болезни, приводящие к раннему коллапсу малых дыхательных путей, такие как эмфизема, бронхомаляция, а также прикусывание пациентом эндотрахеальной трубки (эндотрахеальная трубка предназначена для интубации трахеи с целью проведения ИВЛ, подачи кислородно-воздушной смеси или ингаляционного анестетика) во время выдоха. У вентилируемых пациентов существует несколько причин для повышения инспираторного сопротивления (сопротивления на вдохе) в связи с эффектом «шинирования» при использовании вентиляции с положительным давлением и эндотрахеальной трубки, например, прикусывание

пациентом эндотрахеальной трубки во время вдоха или редкое проявление опухоли, имеющей ножку (новообразование, прикрепленное к ножке), периодически блокирующее дыхательные пути, создавая клапанный эффект. Такой анализ осуществляется по сгшрографическим кривым, включающим как скалярные (одномерные) функции (давление, поток и объём), так и двумерные функции, представленные в виде петель «объём-давление» и «поток-объём».

В настоящее время наибольших успехов в области автоматизации диагностики состояния системы дыхания достигли: ООО «Тритон-ЭлектроникС» (Россия), компания Philips (Нидерланды), компания Carefusion (США), компания Hamilton medical (Швейцария) и др. В России научные разработки в области диагностики состояния системы дыхания ведутся K.M. Лебединским, В.А. Мазурком и др.

Современное состояние систем ИВ Л и их диагностических возможностей требует создание новых более совершенных методов и алгоритмов непрерывного контроля функций внешнего дыхания при ИВ Л по кривым потока, давления, объёма и петлям, в частности, по петлям «объём-давление».

Целыо диссертациоиной работы является разработка методов и алгоритмов автоматического анализа состояния системы дыхания по спирограммам для обеспечения диагностических функций в аппаратах ИВЛ.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

•разработка модели системы внешнего дыхания при ИВЛ, позволяющей оценивать её текущее состояние;

• разработка метода и алгоритма оценки показателей искусственной вентиляции лёгких в реальном масштабе времени;

• разработка метода и алгоритма для анализа состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых;

• разработка метода и алгоритма для анализа формы петель, для вычисления параметров петель;

• экспериментальная апробация предложенных методов.

Объектом исследования являются методы автоматического анализа состояния системы дыхания по спирограммам при ИВЛ.

Предметом исследования является алгоритмы вычисления и оценки параметров внешнего дыхания.

Методология и методы исследования. Исследование базируется на методах математического моделирования, компьютерной обработки изображений, теории управления.

Новые научные результаты. Автором получены следующие научные результаты:

1. электрическая модель системы внешнего дыхания при ИВЛ, использующая в основе двухкомпопентную физическую модель и отличающаяся от известных тем, что позволяет оценить текущее состояние системы дыхания по комплексу показателей дыхания (сопротивления дыхательных путей, растяжимости лёгких и постоянной времени);

2. метод и алгоритм вычисления показателей ИВЛ в реальном масштабе времени по спирометрическим кривым, отличающийся от известных тем, что включает в себя сочетание процедур скользящего усреднения циклов дыхания и полиномиальной аппроксимации, позволяющее удалять помехи, связанные с неустойчивостью сигналов, со спонтанным дыханием пациента;

3. метод и алгоритм анализа состояния пациента по комплексу спирометрических кривых, который позволяет оценить изменения состояния системы дыхания во времени;

4. метод и алгоритм анализа формы петель и оценки показателей дыхания по петле «объём-давление», который позволяет вычислить значения сопротивления и растяжимости и распознавать патологические отклонения в режиме ИВЛ.

Практическую ценность работы составляют.

1. методики и алгоритмы опенки параметров внешнего дыхания по скалярным кривым (поток, давление, объём) и петле «объём-давление»;

2. методика, позволяющая бороться с неустойчивостью сигналов, помехами и наличием спонтанного дыхания у пациента;

3. результаты экспериментального исследования параметров внешнего дыхания;

4. программно-алгоритмическое обеспечение.

Научное положение, выносимое на защиту. Для использования в аппаратах ИВ Л диагностических функций необходимо применить предложенные:

• метод и алгоритм вычисления показателей ИВ Л в реальном масштабе времени;

• метод и алгоритм для анализа состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых;

• метод и алгоритм для анализа формы петель и вычисления параметров петель.

Экспериментально доказано, что совокупность методов синхронного усреднения по //-циклам и аппроксимация полиномом лучше всего позволяет бороться с неустойчивостью сигналов, помехами и наличием спонтанного дыхания.

Для анализа состояния дыхательной системы по комплексу спирометрических кривых предложено представлять сигналы в виде многомерных кривых и анализировать изменение состояния системы дыхания по изменению расстояния между контрольной кривой и рассматриваемой.

Как показал анализ корреляционной матрицы для динамического анализа петель «объём-давление» и распознавания патологических отклонений в режиме вентиляции лёгких лучше использовать такие параметры, как угол наклона оси анализируемой петли «объём-давление» или угловое отклонение от оси контрольного дыхательного цикла, величину среднеквадратического отклонения спирограммы, ширину петли, выраженность артефактов.

Внедрение результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении НИР по грантам РФФИ: 12-01-00583

«Исследование методов распознавания биомедицинских сигналов для медицинских интеллектуальных приборов и систем» (2012-2014 гг.); 13-01-00540 «Исследование методов принятия решений при распознавании биомедицинских сигналов в функциональном пространстве множества анализируемых параметров» (2013-2015 гг.).

Результаты научных исследований внедрены в виде пакетов прикладных программ в компьютерной системе, разработанной предприятием Санкт-Петербурга ЗАО «Завод «ЭМО» по государственному контракту № 6.522.12.2016 от 10.10.2011 г. (2011-2013) «Разработка аппаратов искусственной вентиляции лёгких с расширенными диагностическими возможностями».

В Роспатенте зарегистрирована программа для ЭВМ «Имитатор спирометрических кривых» ном. гос. per. 2012616404 от 13 июля 2012 г.

Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по направлениям подготовки специалистов: «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Биомедицинская техника» и «Биомедицинская инженерия».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы обусловлена корректностью применяемых методов, математической обработкой полученных результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2012 - 2014 гг.), научно-технических конференциях НТО РЭС им. А. С. Попова (2012 - 2014 гг.), 16-й всероссийской конференции «Математические методы распознавания образов» (Казань, 2013 г.), 11-ой международной конференции «Распознавание образов и анализ изображений: Новые информационные технологии» (РОАИ-11-2013) (Самара, 2013 г.), III международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований» (Северный Чарльстон, 2014 г.), 17-ой международной

конференции по мягким вычислениям и измерениям (8СМ'2014) (Санкт-Петербург, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 6 научных работ, из них - 6 статей (5 из 6 статей опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 9 работ - в грудах международных и российских научно-технических конференций и симпозиумов, 1 работа - методические указания для лабораторных работ.

В первой главе диссертации приводится описание основных параметров дыхания, используемых для мониторинга состояния системы дыхания в современных аппаратах ИВЛ. К ним относят давление в дыхательных путях (пиковое (максимальное) давление, давление плато (достигаемое в фазе инспираторной паузы (инспираторная пауза возникает в момент, когда клапан вдоха уже закрыт, а клапан выдоха не открыт)), ПДКВ (положительное давление в конце выдоха)), минутный объём, дыхательный объём (вдох, выдох), концентрацию С>2 на вдохе и СО2 на выдохе, частоту дыхания, механику лёгких (сопротивление и статическую растяжимость лёгких), температуру вдыхаемой смеси. Графический мониторинг заключается в анализе зависимостей: «давление-время», «поток-время», «объём-время»; петель «объём-давление», «поток-объём».

Проведенное исследование существующих моделей внешнего дыхания пациента при ИВЛ выявило только те модели, которые разработаны для управления процессом дыхания. Не было найдено моделей, используемых для вычисления параметров дыхания. Рассмотрены достоинства автоматизации процесса дыхания при ИВЛ.

Исследование российского рынка аппаратов и систем, обеспечивающих внешнее дыхание при искусственной вентиляции лёгких, показало, что большая часть рынка представлена иностранными аппаратами. Российские аппараты в большей части не относятся к аппаратам экспертного класса, т.е. они не позволяют снабжать лёгкие пациента газовой смесыо в течение длительного времени (свыше 10 дней), включают в себя самые простые режимы вентиляции

лёгких. Необходимо отметить, что производители современных аппаратов ИВЛ заявляют точность оценки параметров ± 20%, что с одной стороны связано с низкой точностью измерений растяжимости и сопротивления, получаемых спирографами, а с другой - серьёзным риском судебных исков для производителей медицинской техники. Если аппарат будет предлагать пользователю ошибочный вариант интерпретации полученных данных, то врач анестезиолог-реаниматолог, приняв на основании этой интерпретации ошибочное решение, может обвинить в своей ошибке предприятие-изготовитель аппарата.

Таким образом, возникае т необходимость создания новых более совершенных методов и алгоритмов для использования в современных аппаратах ИВЛ, которые обеспечат аппараты диагностическими функциями.

Во второй главе описаны электрические модели системы внешнего дыхания при управлении вдохом по объёму (потоку) и по давлению. На основе рассмотренных моделей обоснованы применяемые методы вычисления параметров дыхания. Описан метод и алгоритм вычисления параметров дыхания, в основе которого лежит метод вычисления этих значений по текущим соседним точкам. Для удаления существенных помех и проявлений спонтанного дыхания в разработанном алгоритме использовалось сочетание процедур скользящего усреднения циклов дыхания и полиномиальной аппроксимации полученных усреднённых кривых. В результате проведенных экспериментов показаны достоинства использования этих процедур. Для оценки достоверности алгоритма использовалось 70 модельных сигналов с заданными значениями частоты дыхания в минуту, максимального объёма, растяжимости и сопротивления. Кроме этого были проведены исследования на реальных записях, съём и регистрация которых осуществлялась в больницах Санкт-Петербурга. Для них известны контрольные значения сопротивления и растяжимости.

В третье главе рассматривается метод и алгоритм описания состояния системы дыхания по комплексу спирометрических кривых. В основе алгоритма лежит представление кривых потока, давления и объёма в качестве многомерных кривых. Проводен анализ расстояния между рассматриваемой кривой и

контрольной. Для эксперимента использовались реальные кривые в норме и при обструктивных нарушениях (они связаны с необратимым ограничением воздушного потока в дыхательных путях) и рестриктивных нарушениях, связанных с неспособностью лёгких расширяться из-за потери эластичности, слабости дыхательных мышц.

Проведен анализ способов описания формы петель, основанных на использовании цепных кодов, аппроксимации фигур полиномами разных степеней, описании границ набором числовых признаков (площадь, длина, направление главных осей замкнутой фигуры и т.д.), представлении двумерных кривых в виде сигнатур. Преимущество последних заключается в том, что представление границы сводится к одномерной функции, которую описать проще, чем исходную двумерную. В главе описан алгоритм вычисления параметров внешнего дыхания по петле «объём-давление». Экспериментально показано, что общая ширина петли и ширина экспираторной части петли имеют наибольшие коэффициенты корреляции со значением сопротивления модельного сигнала. Следовательно, лучше всего оценивать общее сопротивление (общую ширину петли) или экспираторное сопротивление (ширину петли на выдохе).

В четвертой главе описан съём и регистрация реальных данных для проведения экспериментальных исследований, а также модель, с помощью которой получены модельные сигналы с заданными параметрами внешнего дыхания, для проведения экспериментальных исследований. Экспериментально показано, что при измерении расстояния между многомерными кривыми на выбранном временном промежутке значительные изменения наблюдается только при спонтанном дыхании. При рестриктивном варианте нарушений вентиляционной способности в сигналах отмечается увеличение средних, максимальных значений на выдохе по сравнению с вдохом от нескольких тысячных до одной десятой. В сигналах с обструктивными нарушениями наоборот, средние, максимальные значения больше на вдохе. Для сигналов нормы такой закономерности не наблюдается.

ГЛАВА 1. СПИРОГРАММА. ИСКУССТВЕННАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛЁГКИХ

1.1. Искусственная вентиляция лёгких

Аппараты искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ), наряду с кардиомониторами [1], электроэнцефалографами [2, 3, 4], являются основными жизнеобеспечивающими приборами, которыми оснащены все отделения реанимации и интенсивной терапии вне зависимости от профиля лечебно-профилактического учреждения. Основное назначение аппаратов ИВЛ - снабжать лёгкие пациента необходимой для дыхания газовой смесыо и выводить из них углекислый газ и другие компоненты воздушной смеси. Эта функция аппаратов ИВЛ носит название «протезирование дыхания» и является абсолютно необходимой для сохранения жизни пациентам в раннем послеоперационном периоде, в коматозном состоянии и других клинических ситуациях, когда они не способны дышать самостоятельно [5].

Искусственная вентиляция лёгких — это форма вентиляции, призванная решать ту задачу, которую в норме выполняют дыхательные мышцы. Задача включает в себя обеспечение оксигенации и вентиляции (удалении углекислого газа) пациента. Это едва ли не единственное средство интенсивной терапии, которое применяется при любых проявлениях острой дыхательной недостаточности [6].

Она обеспечивает искусственный газообмен между окружающим воздухом (или специально подобранной смесыо газов) и альвеолярным пространством лёгких. Её еще называют управляемой механической вентиляцией лёгких (Controlled mechanical ventilation, CMV), поскольку при ней участие пациента в акте дыхания полностью исключено [7]. Существует много методов и способов ИВЛ — от самого простого метода вдувания без аппаратов до самого сложного —

с помощью аппаратов, снабженных электронными приборами, увлажнителями, мониторами и т. п. [8].

С физиологической точки зрения механизм дыхания представляет собой переход воздуха из внешней среды в альвеолы (альвеола - основная структурно-функциональная единица лёгких, в которой осуществляется газообмен) вследствие разницы давлений. Причем воздух всегда перемещается из области с более высоким давлением в область с более низким. При ИВ Л в аппарате формируется газовая смесь, состоящая из воздуха и кислорода, доля которого определяется лечащим врачом-реаниматологом. Наиболее часто кислородно-воздушная смесь нагнетае тся в лёгкие пациента через предварительно введенную в трахею трубку. Этот режим искусственной вентиляции лёгких называется инвазивным. Однако в ряде случаев ввести трубку в трахею пациента бывает невозможно, например, при ее повреждении. В этом случае ИВЛ осуществляется через маску. Этот режим ИВЛ называется неинвазивным [9]. Далее газовая смесь, введенная в дыхательные пути пациента, попадает в альвеолы, в которых происходит газообмен. Длительность подключения пациентов к аппаратам ИВЛ может быть различной: от одного-двух часов в послеоперационный период, до нескольких месяцев и даже лет при травме спинного мозга.

Таким образом, механизм дыхания можно представить в виде некоторого ' эластичного резервуара, в который через трубку подается воздух. По мере поступления газа в этот резервуар, он раздувается. Более подробно модели дыхания рассмотрены в 1-й главе в разделе 1.3.

1.2. Общие понятия о спирометрии

Спирометрия (лат.: spiro - дышать; греч.: цетроу - мера, мера длины) - это измерение показателей внешнего дыхания. Устройство, использующееся для этих целей, называется спирометром [[10]. Спирограмма - (спиро- + греч. gramma запись; син. спирометрическая кривая) кривая, отражающая изменение во времени объёмов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха [llji]. Для построения спирограмм используются функциональные кривые объёмной скорости (потока)

{Flow, F), давления (Pressure, P), объёма (Volume, V) (рисунок 1.1). Значения потока измеряются в л/мин, давления - в см вод. ст., объёма - в мл.

Рисунок 1.1 - Примеры спирометрических кривых

Другой общепринятой формой наглядного графического отображения процесса ИВЛ являются фигуры (петли), образуемые попарно взятыми на протяжении одного цикла ИВЛ величинами потока и объёма, а также объема и давления. Петля «объём-давление» (рисунок 1.2) начинается в левом нижнем углу графика, следует против часовой стрелки по траектории, обозначенной указателем до правого верхнего угла петли. Этот участок соответствует вдоху, а правый верхний угол - точке конца вдоха и начала выдоха. После этого строится кривая выхода, завершается петля в левом нижнем углу [12].

о

р

Рисунок 1.2 - Пример петли «объём-давление»

Важно отметить, что для петли «поток-объём» не существует определенного правила расположения областей вдоха и выдоха по отношению к горизонтальной оси. Обычно на графике кривая вдоха расположена ниже горизонтальной оси, а выдоха - выше (рисунок 1.3, а). Наивысшая точка над осью абсцисс представляет собой пиковую скорость экспираторного потока во время пассивного выдоха. В зависимости от марки оборудования расположение областей вдоха и выдоха может быть обратным (рисунок 1.3, б). Как правило, переход от вдоха к выдоху и обратно осуществляется при пересечении петлей оси абсцисс, когда мгновенная скорость потока равна нулю.

Г

Выдох

Вдох

а

б

Рисунок 1.3 — Примеры петель «поток-объём»

Длительность вдоха и выдоха. Вдох t, (Inspiratory time) - это временной интервал от момента открытия клапана вдоха до начала выдоха (рисунок 1.4). Вдох делят на 2 части:

U = г:г- + р,

?

где t,f - временной интервал, когда в лёгкие поступает воздух, р, (инспираторная пауза) - это временной интервал, когда клапан вдоха уже закрыт, а клапан выдоха еще не открыт. Инспираторная пауза возникает, когда заданный объём уже доставлен, а время вдоха ещё не истекло.

Выдох te (Expiratory time) - это временной интервал от момента открытия клапана выдоха до начала следующего вдоха. Его также делят на две части:

t-- = + р.. - ,

где tej - временной интервал, когда воздух выходит из лёгких, ре (экспираторная пауза) — это временной интервал, когда поток воздуха из лёгких уже не поступает, а вдох ещё не начался. В некоторых режимах ИВЛ инспираторная и экспираторная паузы отсутствую т.

Время дыхательного цикла t,c (Total cycle time) складывается из времени вдоха и времени выдоха (см. рисунок 1.4) [131:

trc = Ч + t- = Г:/ + р: + Vef + ре

Рисунок 1.4 - Временные интервалы

Давленые. Рассмотрим кривую давления в дыхательном контуре (рисунок 1.5). Отметим на ней уровни начала вдоха или конечно-экспираторное давление реехн (в этом случае это - положительное давление конца выдоха (ПДКВ) {Positive End-Expiratory Pressure, PEEP)), максимальное (пиковое) давление на вдохе Риик (Peak Inspiratory Pressure, Ррелк или PIP) и достигаемое в фазе инспираторной паузы давление плато /3||;|ат (Р/ч.а/)-

Необходимо отметить влияние ПДКВ на построение петли. Если оно отсутствует (равно нулю), то соответственно петля начинается в точке нулевого давления (рисунок 1.2).

Дыхательный объём УТ- это величина одного обычного вдоха или выдоха.

Минутный объём МУ - это сумма дыхательных объёмов за минуту. Если все дыхательные объёмы в течение минуты равны, можно просто умножить дыхательный объём на частоту дыханий.

Эластичность Е — это свойство сохранять и восстанавливать исходную форму вопреки деформации, вызываемой воздействием внешней силы. Она прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна введенному объёму газа:

V.

Согласно законам физиологии, эластичность респираторной системы (Е) равна сумме эластичностей лёгких (Еп) и грудной клетки (Ег) [14]:

ПДКВ

Рисунок 1.5 - Зависимость сигнала давления от времени

В некоторых частных случаях эластические свойства системы внешнего

дыхания удобнее описывать эластичностью, но чаще используют обратную ей

величину, так называемую растяжимость или податливость С (Compliance): 1

~ Е. Растяжимость определяется как способность к изменению объёма на единицу изменения давления:

лГ

С=— ' 1.1''

i

и выражается в литрах на сантиметр водяного столба. Для пациентов с исходно здоровыми легкими нормальными считаются значения растяжимости 80-100 мл/см вод. ст., но при длительной ИВ Л нормальная растяжимость обычно несколько снижается (до 50-60 мл/см вод. ст.). Снижение растяжимости лёгких, т.е. увеличении жесткости лёгких и грудной клетки, позволяет установить наличие рестрикции (неспособности лёгких расширяться из-за потери эластичности, слабости дыхательных мышц) и количественно оценить степень её выраженности.

Общая растяжимость системы грудная клетка — лёгкие (С) состоит из двух компонентов — растяжимости грудной клетки (Сг) и растяжимости лёгких (С„):

из чего следует, что у одного и того же человека растяжимость лёгких или грудной клетки по отдельности выше, чем общая растяжимость.

Сопротивление R (Resistance) определяется величиной давления, которое необходимо приложить для проведения по дыхательным путям единицы газового объёма в единицу времени. Иначе говоря, сопротивление выражает отношение разности давлений в начале дыхательных путей и в их конце к объёмной скорости F, с которой газы протекают по дыхательным путям:

r = — ■ 1.2 ■

Г

Обычная единица измерения сопротивления — см вод.ст./ л/с [15]. На фоне ИВЛ нормальными считаются значения не выше 0,2 см вод. ст./л/мин. В случае обструкции (обструкция - необратимое ограничение воздушного потока в

дыхательных путях) увеличивается сопротивление дыхательных путей, что позволяет выявить наличие этого вида дыхательной недостаточности у пациента.

Договоримся об используемых определениях в работе. В литературе можно встретить использование терминов: сопротивление или резистанс, растяжимость или комплайенс. Для удобства читателя будем использовать русские определения параметров дыхания: сопротивление и растяжимость.

1.3. Модели системы внешнего дыхания

Описанный выше механизм дыхания можно описать с помощью различных как более простых, так и более сложных моделей дыхания. Важно понять, как происходит процесс дыхания, как связаны между собой такие параметры, как поток, давление, объём, сопротивление и растяжимость. При этом нас не интересует высокая точность описания процессов, происходящих при дыхании. Поэтому в диссертационной работе используется простая физическая модель, которая широко используется в литературе по искусственному дыханию [16].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Саламонова, Ирина Сергеевна, 2014 год

СПОСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. пособие для вузов [Текст] /А.Л. Барановский [и др.]. - Москва, Радио и связь, 1993.-248 с.

2. Немирко, А.П. BIS-технологии оценки глубины наркоза по ЭЭГ [Текст] / Немирко А.П., Саламонова И.С. // 66-я науч.-техн. конф. СПбНТОРЭС, посвященная дню радио, г. Санкт-Петербург, 19-29 апр. 2011 г. - Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ, 2011. - С. 368 - 369

3. Немирко, А.П. Программный имитатор сигналов ЭЭГ на Lab View [Текст] / А.П. Немирко, И.С. Саламонова // Биомедицинская электроника. - 2011. -№5.-С. 41 -44.

4. Саламонова, И.С. Испытательный стенд для проверки анализаторов ЭЭГ [Текст] / И.С. Саламонова // 66-я науч.-техн. конф. СПбНТОРЭС, посвященная дню радио, г. Санкт-Петербург, 19-29 апр. 2011 г. - Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ, 2011.-С. 373 -374.

5. Саламонова, И.С. Автоматический анализ спирограмм при искусственной вентиляции легких [Электронный ресурс] / И.С. Саламонова// Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований: III междунар. заочная науч.-практич. конф.: г. Северный Чарльстон, 2014. -С. 122-124. - Режим доступа: http://science-publish.ru/node/2 - 06.06.14

6. Типы искусственной вентиляции легких [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.medgate.ru/article/103/116974/ - 01.06.14.

7. Кассиль, В.Л. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких [Текст] / В.Л. Кассиль, М.А. Выжигина, Г.С. Лескин. - Москва, Медицина, 2004. - 480с.

8. Искусственная вентиляция лёгких [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://web-medik.ru/category/artificial-ventilation.html - 01.0614.

9. Mehta, S. Noninvasive ventilation / S. Mehta, N.S. Hill [Электронный ресурс] // American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2001. - № 2. P. 540-577. - Режим доступа: http://www.atsj0urnals.0rg/d0i/full/l 0.1164/ajrccm. 163.2.9906116#.U5dh9yhjGzY -09.06.14

10. Спирограмма [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/sprgrm.htm - 01.06.14.

11. Спирограмма [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://dic.academic.ru/ - 01.06.14

12. Waugh, J.B. Rapid interpretation of ventilation waveform [Текст] / J.B. Waugh, [et all]: Second ediyion-New Jersey, Pearson Edition, 2007. - 151 p.

13. Горячев, A.C. Основы ИВЛ [Текст] / A.C. Горячев, И.А. Савин. -Москва, Медиздат, 2009. - 252 с.

14. Царенко, C.B. Практический курс ИВЛ [Текст] / C.B. Царенко. -Москва, Медицина, 2007. - 160 с.

15. Бурлаков, Р.И. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура) [Текст] / Р.И. Бурлаков, Ю.Ш. Гальперин, В.М. Юревич. - Москва, Медицина, 1986. — 240 с.

16. Лебединский, K.M. Основы респираторной поддержки [Текст] / K.M. Лебединский, В.А. Мазурок, A.B. Нефедов. - Санкт-Петербург, Изд-во МАПО, 2006.-213 с.

17. Ожегов, С.И. Толковый словарь русского языка [Текст] / С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. - Москва, 1997. — С.292.

18. Интенсивная терапия. Реанимация. Первая помощь: Учебное пособие [Текст] / В.Д. Малышев. ~ Москва: Медицина.-- 2000. — 464 с.

19. Острая и хроническая недостаточность [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.encyclopedia.sun-clinic.co.il/d21.html - 02.06.14

20. Норма [Электронный ресурс] - Режим доступа: http ://www. fesmu.ru/www2/PolTxt/U0010/diagnos 1 /spiro2/spiro 1 /result 1 .htm 01.06.14

21. Система искусственной вентиляции AVEA. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс] - Режим доступа: carefusion.com - 01.06.14

22. Система искусственной вентиляции VELA. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс] - Режим доступа: carefusion.com - 01.06.14

23. АППАРАТ ИВЛ ZISLINE [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.zisline.ru/mv200.htm - 01.06.14

24. Galileo. Intelligent Ventilation. Руководство пользователя 610862/02. [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.hamilton-medical.com - 01.06.14

25. Система Patient Spirometry [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://clinicalview.gehealthcare.com/ - 01.06.14

26. Аппарат ИВЛ Филипс [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.healthcare.philips.com/main/products/patient_monitoring/products/intellivu e_patient_monitors/ - 01.06.14

27. Аппарат ИВЛ серии ВИАН [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://respekt-plus.com/rus/vianl_01.html - 01.06.14

28. Аппарат ИВЛ МВ200 «ЗисЛайн» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://imteh.ru/meditsinskaya-tehnika/anestoziologia-reanimacia?id=322 -01.06.14

29. Аппарат ИВЛ ЭЛАН-НР [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.mediko.ru/index.php?id=l 12 - 01.06.14

30. Аппарат ИВЛ Р0-6-06 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.mediko.ru/index.php?id=505 - 01.06.14

31. Аппарат управляемой и вспомогательной искусственной вентиляции легких «Фаза-21». [Текст]. Руководство по эксплуатации. ЕКФА.941622.001 РЭ, 2007. - 42 с.

32. Аппарат ВЧ ИВЛ JV 100 ZisLine. Краткие информационные материалы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ecopharm.ru/uploads/files/Zisline_VCh_IVL_JV 100.pdf- 01.06.14

33. Аппарат ИВЛ SERVO-i [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.maquet.ru/product.aspx?pid=34&id=19 - 01.06.14

34. Аппарат ИВJI Evita [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.draeger.ru - 01.06.14

35. Викторов, В.А. Состояние разработок и производства наркозно-дыхательной аппаратуры [Текст] / В.А. Викторов, Р.И. Бурлаков // Вестник АМТН. - 2008. - № 1. - С. 13-19.

36. О компании. М.: Группа компаний «БЮРО» [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://burogroup.rU/i/files/about_of_company.pdf- 01.06.14

37. Исследования. Российский рынок аппаратов ИВЛ 2011-2012 гг. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://burogroup.ru/research/index.htm?id=6 -01.06.14

38. Наркозно-дыхательное оборудование [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.upz.ru/ru/mediczinskaya-texnika.html - 01.06.14

39. Юшкин, A.B. Синтез управления биологическим объектом на основе стохастической модели [Текст] / A.B. Юшкин // Новости медицинского приборостроения. - 1970. - № 2. - С. 29-33.

40. Луценко, А.Е. К вопросу о комплексном исследовании функции внешнего дыхания человека [Текст] / Луценко, А.Е. Сорокин A.A. // - Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2003. - № 1. - С. 32-34.

41. Луценко, А.Е. Метод и система для адаптивной искусственной вентиляции легких [Текст] / А.Е. Луценко, A.A. Сорокин // - Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2004. - № 1. - С. 54-59.

42. Немирко, А.П. Методы измерения спирометрических параметров при искусственной вентиляции лёгких на основе электрической модели внешнего дыхания [Текст] / А.П. Немирко, И.С. Саламонова // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -2013.- №7.-С. 92-98.

43. Немирко, А.П. Электрическая модель системы внешнего дыхания при искусственной вентиляции легких [Текст] / Немирко А.П., Саламонова И.С. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2012. - № 6. - С. 83 - 88.

44. Саламонова, И.С. Алгоритм обработки сигналов и измерение параметров внешнего дыхания при искусственной вентиляции легких [Текст] /

И.С. Саламонова // 69-я науч.-техн. конф. СПбНТОРЭС, посвященная дню радио, г. Санкт-Петербург, 17-25 апр. 2014 г. - Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ, 2014. - С. 369 - 370.

45. АЛеша АЮ1Ч Multigas Апакэег АЮМ)3 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.mindray.eom/artema/products/l.html - 08.06.14

46. Калиниченко, А.Н. Использование полиномиальной аппроксимации для измерения показателей искусственной вентиляции лёгких [Текст] / А.Н. Калиниченко, А.Н. Немирко, И.С. Саламонова // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2013. - № 11. - С. 71-74.

47. Постоянная времени [Электронный доступ] - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ - 01.05.14

48. Рекомендации по проведению респираторной поддержки при обострении хронической обструктивной болезни легких и бронхиальной астме [Электронный доступ] - Режим доступа: http.7/www.far.org.ru/guidesprojects?download=37%ЗArs-copd - 01.05.14

49. Трофимов, А.Г. Адаптивный классификатор многомерных нестационарных сигналов на основе анализа динамических паттернов [Электронный ресурс] / А.Г. Трофимов, В.И. Скругин // Наука и образование. -2010. -№8. -Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/151934.html

50. Немирко, А.П. Измерение параметров дыхания при искусственной вентиляции легких [Текст] / А.П. Немирко, И.С. Саламонова // 68-я научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвященная дню радио, г. Санкт-Петербург, 18-26 апр. 2013 г. - Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ, 2013. -С. 292.

51. Манило, Л.А. Автоматический анализ формы спирографических петель при искусственной вентиляции легких [Текст] / Л.А. Манило, А.П. Немирко, И.С. Саламонова // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2013. - № 8. - С. 73-78.

52. Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений [Текст] / Р. Гонсалес, Р. Вудс . - Москва, Техносфера, 2005. - 1072 с.

53. Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений в среде Матлаб [Текст] / Р. Гонсалес, Р. Вудс, С. Эддинс. - Москва, Техносфера, 2006. - 616 с.

54. Manilo, L. Automatic analysis of spirogram loop shapes by their signatures [Текст] / L. Manilo, A. Nemirko, I. Salamonova // Pattern récognition and image analysis: new information technologies : The llth International Conferens, Samara, 23-28 sep., 2013 r. - P. 649 - 652

55. Саламонова, И.О. Автоматический анализ спирометрических кривых при искусственной вентиляции лёгких [Текст] / И.С. Саламонова // Мягкие вычисления и измерения: докл. 17-й междунар. конф., г. Санкт-Петербург, 21-23 мая 2014 г. - Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ, 2014. - С. 182-185.

56. Манило, JI.A. Автоматический анализ формы спирографических петель по их сигнатурам [Текст] / JI.A. Манило, А.П. Немирко, И.С. Саламонова // Математические методы распознавания образов: докл. 16-й всерос. конф., г. Казань, 6-12 окт, 2013 г. - Москва, Торус Пресс, 2013. - С. 82.

57. Манило, Л.А. Автоматический анализ формы спирографических петель по их сигнатурам [Электронный ресурс] / Л.А. Манило, А.П. Немирко, И.С. Саламонова // Машинное обучение и анализ данных. - 2013. - Т. 1, №6. - С. 82. -Режим доступа: http://jmlda.org/papers/doc/2013/JMLDA2013no6.pdf- 15.09.14

58. Канус, И.И. Схема устройства и работы аппарата для ИВ Л [Электронный ресурс] / И.И. Канус, В.Э. Олецкий // Медицинская панорама. -2002. -№ 4. - Режим доступа: http://www.plaintest.com/reanimatology/alv - 08.06.14

59. MATLAB [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/MATLAB - 01.06.14

60. Конюшенко, В.В. Начало работы с Matlab [Текст] / В.В. Конюшенко. -Санкт-Петербург, Истра, 2006. - 173 с.

61.Кетков, Ю.Л. MANLAB 7: программирование, численные методы [Текст] / Ю.Л. Кетков, А.Ю. Кетков, М.М. Шульц. - Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2005. - 752 с.

62. Дьяконов В.П. MATLAB 7.*/R2006/R2007: Самоучитель [Текст] / В.П. Дьяконов. - Москва, ДМК Пресс, 2008. - 768 с.

63. Немирко, А.П. Моделирование спирометрических кривых [Текст] / А.П. Немирко, И.С. Саламонова // 67-я научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвященная дню радио, г. Санкт-Петербург, 19-27 апр. 2012 г. -Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ, 2012. - С. 292.