Переносные наркозно-дыхательные аппараты для медицины катастроф тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Сорокин, Андрей Алексеевич

• Сорокин, Андрей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сорокин, Андрей Алексеевич

Введение.

Глава I. Искусственная вентиляция легких в медицине.

1.1. Биофизические основы искусственная вентиляция легких.

1.2. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких.

1.3. Влияние искусственной вентиляции на легочные функции.

1.4. ИВЛ и самостоятельное дыхание.

1.5. Методы искусственной вентиляции легких.

1.6. Системы и аппараты для искусственной вентиляции легких.

Выводы.

Глава II. Системы и аппараты ИВЛ для задач медицины катастроф.

2.1. Центры медицины катастроф и их медицинское обеспечение.

2.2. Методики разделения пострадавших на группы риска.

2.3. Исследование потребности систем ИВЛ для медицины катастроф.

2.4. Медико-технические требования к переносным аппаратам ИВЛ и ингаляционного наркоза.

2.5. Характеристика выпускаемых образцов аппаратов.

2.6. Обоснование необходимости поверки аппаратов ИВЛ, используемых в 64 медицине катастроф.

2.7. Постановка задач исследования.

Глава III. Биотехнические аспекты синтеза аппаратов для искусственной вентиляции легких.

3.1. Модель процесса внешнего дыхания при искусственной вентиляции легких.

3.2. Обобщенная структура систем ИВЛ для медицины катастроф.

3.3. Компьютерное моделирование работы аппарата для искусственной вентиляции легких.

Выводы.

Глава IV. Структурные особенности приборов и аппаратов ИВЛ для медицины катастроф.

4.1. Переносные аппараты искусственной вентиляции легких для медицины 95 катастроф.

4.2. Переносные аппараты вспомогательного дыхания.

4.3. Переносные аппараты дыхательной реанимации.

4.4. Переносные наркозно-дыхательные аппараты.

Выводы.

Глава V. Разработка и экспериментальные исследования приборов и аппаратов ИВЛ.

5.1. Разработка и производство приборов пневмотехники для медицины катастроф

5.2. Основные параметры аппаратуры дыхательной реанимации, подлежащие контролю и регламентным проверкам.

5.3. Разработка испытательных стендов.

5.4. Методики контроля параметров аппаратов ИВЛ.

5.5. Автоматизированный комплекс для поверки дыхательно-реанимационной техники.

5.6. Функциональные схемы оборудования контроля и проверки дыхательной аппаратуры.

5.7. Результаты испытаний и поверки разработанных наркознодыхательных аппаратов.

Выводы.

Основные результаты диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Переносные наркозно-дыхательные аппараты для медицины катастроф»

Искусственную вентиляцию легких (ИВЛ) применяют ежедневно для многих тысяч больных во время оперативных вмешательств, в процессе интенсивной терапии, при внезапных изменениях состояния человека. Сфера применения ИВЛ постоянно расширяется, предлагаются все новые методики и технические средства, пригодные для применения в условиях непредвиденных обстоятельств, когда жизнь человека подвержена значительной опасности за счет влияния внешних неуправляемых факторов - горячие цеха, интенсивный труд, особые атмосферные условия [1].

Для большинства анестезиологов и реаниматологов ИВЛ - рутинная процедура, но они не единственные, связанные с этим типом лечебной процедуры. Различные методы искусственной вентиляции используют терапевты, невропатологи, токсикологи, врачи скорой помощи. При этом кажущаяся простота и «привычность» ИВЛ не гарантируют от ошибок и связанных с ними осложнений, особенно при применении методов ИВЛ в неклинических условиях. Это объясняет повышенный интерес к различным проблемам теории и практики ИВЛ, исследованию которых посвящено огромное число публикаций и разработок [2, 3, 5,9].

За последние 10 лет произошли значительные изменения во многих концепциях и подходах к респираторной поддержке. В первую очередь это касается разработки и внедрения в практику новых способов и режимов ИВЛ, особенно вспомогательной вентиляции легких (ВВЛ). Усовершенствованы методы проведения ИВЛ и ВВЛ, созданы современные аппараты ИВЛ (респираторы), обладающие широкими функциональными возможностями, построены базы данных и знаний, которые сегодня широко доступны для пользователей этой техники - все это позволяет предполагать, что проблемы ИВЛ скоро будут решены. Однако в некоторых частных, но очень важных для человечества, применениях возникают особые задачи по использованию респираторной техники, связанные с условиями их применения на человеке.[3, 5]

К таким задачам следует отнести условия критических состояний человека, когда борьба за его жизнь не может иметь успех без клинической поддержки, а ее быстрое подключение невозможно. К таким непредвиденным обстоятельствам относятся катастрофические ситуации, связанные с природными и техногенными факторами. В этих условиях изменяются цели медицинской поддержки пострадавшего; он должен быть в кратчайший срок доставлен в клинический стационар. Поэтому цель всех медицинских мероприятий - поддержать жизнь человека до его поступления в госпиталь или больницу. Особые требования к выполнению медицинских мероприятий при наступлении непредвиденных обстоятельств привели к формированию нового структурного подразделения в системе здравоохранения -Центры Медицины Катастроф (ЦМК), для реализации задач которой сформированы территориальные Центры Медицины Катастроф (ТЦМК), призванные обеспечивать в различных регионах страны решение медицинских задач в особо сложных условиях [24, 25, 26].

Практика показывает, что вероятность поражения дыхательной системы человека в условиях катастроф очень велика, поэтому в составе медицинской техники, которой оснащаются ЦМК, должны быть представлены и средства респираторной техники. В то же время условия использования этой техники иные, поэтому требования к ней существенно отличаются от требований в аппаратам и методам ИВЛ для клинических применений. Известные аппараты ИВЛ лишь в незначительной степени пригодны для катастрофических ситуаций, они не отвечают многим требованиям, которые предъявляются к этому виду техники медицинскими специалистами [3, 4].

Целью данной работы является разработка малогабаритных, автономных, электроэнергонезависимых аппаратов ИВЛ и ВВЛ, обеспечивающих возможность решения медицинских задач по поддержанию жизни пострадавшего человека в условиях чрезвычайных ситуаций до его поступления в клинический стационар.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ известных технических решений для ИВЛ и ВВЛ, пригодных для использования в экстремальных условиях;

- создать модель внешнего дыхания человека, находящегося в условиях чрезвычайной ситуации в процессе оказания ему помощи с применением аппаратов искусственной вентиляции легких;

- предложить обобщенную структуру аппарата ИВЛ, способного решать основные задачи поддержки жизни пострадавшего;

- разработать основные узлы пневмоавтоматики и варианты их включения для создания различных типов портативных аппаратов ИВЛ, не требующих внешних электрических источников питания;

- предложить методики и технические средства поверки и калибровки аппаратов ИВЛ для МК;

- провести испытания различных вариантов аппаратов ИВЛ в лабораторных и полевых условиях.

Объектом исследования являются аппараты ИВЛ и ВВЛ, предназначенные для использования в условиях чрезвычайных ситуаций.

Предметом исследований выступают методы и технические решения как отдельных узлов, так и аппаратов в целом, предназначенных для применения в особо опасных для жизни человека условий.

Методы исследований. Исследования базируются на теории системного анализа и биотехнических систем, методологии моделирования физиологических систем организма, методах описания пневматических устройств, технологиях исследования метрологических, характеристик измерительных устройств, методах статистического анализа и проведения экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях. При проведении лабораторных исследований использовалась материально-техническая база кафедры БМЭ и ОС СПБГЭТУ "ЛЭТИ", а полевые испытанию проводились на базе территориального Центра медицины катастроф Санкт-Петербурга.

Новые научные результаты. В процессе выполнения исследований автором получены следующие научные результаты:

1. Анализ известных разработок аппаратов для ИВЛ и ВВЛ с точки зрения возможности их использования в условиях катастроф показал, что они малопригодны для применения в экстремальных условиях из-за использования внешних источников питания, громоздкости, сложности управления и настройки, большого числа функций, которые в указанных условиях не нужны. Они не обеспечивают требуемых технических характеристик в широком диапазоне изменения температуры среды, влажности, атмосферного давления, механических воздействий. Анализ опыта работы ТЦМК показал, в таких условиях требуются малогабаритные, автономные и экономичные аппараты, не привязанные к источникам электрического питания и обеспечивающие выполнение всех мероприятий, необходимых для поддержания жизни пострадавших. Предложена номенклатура аппаратов ИВЛ и ВВЛ для ЦМК.

2. Разработана математическая модель процесса искусственной вентиляции легких пациента, находящегося в условиях чрезвычайной ситуации, отражающая взаимодействие наркозно-дыхательного аппарата с пациентом. Сформулированы требования к аппаратам ИВЛ и ВВЛ для этих условий, и определены рабочие параметры аппаратов, которые необходимо контролировать в процессе медицинских мероприятий. Показано, что этот вид техники представляет собой специфическую биотехническую систему, функционирование которой определяется состоянием дыхательной функции человека.

3. Предложены обобщенная схема переносного наркозно-дыхательного аппарата, а также структурные схемы и конструктивные решения ряда важнейших узлов аппаратов ИВЛ и ВВЛ, выполненных на базе элементов пневмоники, обеспечивающих требования по надежности и экономичности и не требующих источников электрического питания. .

4. Предложены методики и разработаны технические средства для настройки, калибровки и поверки разных аппаратов ИВЛ и ВВЛ, которые позволяют проводить эти мероприятия в полевых условиях.

Практическую ценность работы составляют:

- математическая модель внешнего дыхания, отражающая работу легких при подключении к аппаратам ИВЛ и ВВЛ, сформулированы требования к этим аппаратам при их использовании в экстремальных условиях;

- структурные схемы и конструктивные решения основных блоков аппаратов ИВЛ и ВВЛ для медицины катастроф, выполненные на элементах пневмоники и обеспечивающие выполнение всех требований к аппаратам этого назначения;

- методики настройки, калибровки и поверки аппаратов ИВЛ и ВВЛ и поверочный стенд, пригодных для выполнения таких функций для любых образцов респираторной техники, в том числе и в полевых условиях;

- образцы аппаратов ИВЛ и ВВЛ, разработанные с применением предложенных узлов и прошедшие аттестацию на пригодность к применению в условиях медицины катастроф;

- результаты лабораторных и полевых испытаний образцов разработанной техники, показавших высокую эффективность их использования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При разработке переносных наркозно-дыхательных аппаратов для медицины катастроф необходимо учитывать особенности взаимодействия элементов биотехнической системы врач-спасатель - наркозно-дыхательный аппарат - пациент в чрезвычайных условиях. Они определяют специфические требования, предъявляемые к наркозно-дыхательному аппарату, и его структуру, обеспечивающую независимость задания и изменения параметров вентиляции в чрезвычайных условиях.

2. Для выполнения медико-технических требований, предъявляемых к переносным наркозно-дыхательным аппаратам для задач медицины катастроф, они должны быть реализованы на элементах пневмоники и сохранять работоспособность и технические характеристики в широком диапазоне изменения параметров условий эксплуатации.

3. Структурные особенности переносных аппаратов для искусственной и вспомогательной вентиляции, анестезии и ингаляции определяются последовательностью информационных преобразований, реализуемых элементами пневмоники для изменения давления и скорости объемной вентиляции в структурных элементах легких пациента с учетом их характеристик.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2000 - 2005 гг.), научно-технической конференции НТО РЭС им. А.С.Попова (2003 - 2004 гг.), Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (Тверь, 2002 г.), I Международном конгрессе «Новые медицинские технологии» (Санкт-Петербург, 2001 г.). VII Международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 2001).

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Результаты данной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды СПбГЭТУ БЭС-72 «Метод и автоматизированная система для контроля характеристик и поверки реанимационной пнев-мотехники» (2002-2003 г.г., № госрегистрации 01200202116), БЭС-61 «Разработка теоретических основ синтеза интеллектуальных биотехнических систем для диагностики, лечения и коррекции состояния человека», (2001-2004 г.г., № госрегистрации № 1200003096).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, 21 свидетельство на полезную модель Роспатента РФ, 6 материалов в сборниках научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 56 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста. Работа содержит 35 рисунка и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Сорокин, Андрей Алексеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведен анализ функциональных возможностей переносных наркозно-дыхательных аппаратов для медицины катастроф и сформулированы требования, которым должны удовлетворять наркозно-дыхательные аппараты в условиях чрезвычайных ситуаций. Это: электроэнергонезависимость, сохранение работоспособности и требуемых технических характеристик в широком диапазоне изменения температуры, влажности, воздействия механических факторов, обеспечение всех режимов использования такой аппаратуры.

2. Переносной наркозно-дыхательный аппарат в процессе функционирования является элементом специфической биотехнической системы. Для обеспечения эффективной работы аппарата его разработку необходимо осуществлять с учетом свойств и характеристик системы дыхания пациента. Разработана математическая модель процесса внешнего дыхания, позволяющая исследовать взаимодействие наркозно-дыхательного аппарата и системы дыхания человека в процессе искусственной вентиляции легких.

3. Предложена обобщенная структура переносных наркозно-дыхательных аппаратов, пригодная для искусственной и вспомогательной вентиляции легких, ингаляции и реанимации, реализуемая на элементах пневмоавтоматики: пневморе-дукторах, дросселях, пневмоклапанах, пневмосопротивлениях и др. Построение аппаратов в соответствии с этой структурой позволяет обеспечить независимое задание и изменение параметров вентиляции - давления нагнетаемого в маску пациента газа, объемную скорость потока, продолжительность вдоха - выдоха, концентрацию кислорода и анестетика.

4. Разработаны структурно-функциональные схемы переносных аппаратов, обеспечивающие принудительную искусственную и вспомогательную вентиляцию легких пациентов с заданными параметрами давления, скорости вентиляции, продолжительности вдоха-выдоха, отличающиеся высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик вентиляции. Выполнены экспериментальные исследования их функциональных возможностей и характеристик, которые подтвердили правильность принципов построения переносных наркозно-дыхательных аппаратов для медицины катастроф. Предложенные образцы аппаратов переданы для серийного производства.

5. Предложены функциональные схемы переносных аппаратов ингаляционного наркоза, обеспечивающие принудительную и вспомогательную вентиляцию легких газовой смесью с заданными параметрами вентиляции и содержанием кислорода и закиси азота, независимое задание и регулировку временных параметров вентиляции, давления и объемной скорости вентиляции.

6. Для проведения поверки и периодических испытаний в полевых условиях переносных наркозно-дыхательных аппаратов разработан переносной испытательный стенд и физические модели легких. Предложены методики испытания основных технических характеристик наркозно-дыхательных аппаратов. Кроме того, для поверки и испытания аппаратов в условиях производства разработан стационарный автоматизированный испытательный стенд, позволяющий проводить выходной контроль выпускаемой продукции.

7. Испытания наркозно-дыхательных аппаратов, эксплуатируемых в разных условиях, подтвердили соответствие разработанных аппаратов требованиям здравоохранения и медицины катастроф.

159

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сорокин, Андрей Алексеевич, 2005 год

1. Актуальные вопросы технического обеспечения анестезиологической и реаниматологической помощи. Сборник научных трудов под ред. Полушина Ю.С. и Левшанкова А.И. СПб.: Агентство «РДК-принт», 2000. 44 с.

2. Актуальные вопросы оказания анестезиологической и реаниматологической помощи. Сборник научных трудов под ред. Левшанкова А.И. СПб.: Агентство «РДК-принт», 2001. 101 с.

3. Актуальные вопросы сестринской практики в анестезиологии и реаниматологии. Сборник научных трудов под ред. Левшанкова А.И. СПб.: Агентство «РДК-принт», 2000. 96 СПб.: Агентство «РДК-принт», 2001.-101 с.

4. Анестезиология и реаниматология. Под ред. Долиной О.А.- М.: Медицина, 1998.

5. Березин Б. А., Леонов Г. Н., Луценко А. Е. Модернизация аппаратуры ИВЛ. Труды Всероссийской научно-технической конференции «Биотехнические системы в XXI веке», Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 22 26 марта 2004г., С. 120-121.

6. Бегун П.И. Биомеханика. СПб.: Политехника, 2002.

7. Бегун П.И., Афонин П.Н. Моделирование в биомеханике. М.: Высшая школа. 2004.-390 с.

8. Бондаренко А.В., Лебедева Р.Н., Караваев Б.И. Анестезиология и реаниматология. 1986.-№ 4. - С. 20 - 23.

9. Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких: Принципы, методы, аппаратура. М., 1986.

10. Васильева О.И., Ионов И.П., Кантор П.С., Ульянов С.В. Дуальное управление процессом искусственной вентиляции легких с использованием нечеткого регулятора в цепи обратной связи. Медицинская техника № 1 1989 г., С. 11 20.

11. Гриппи М. А. Патофизиология легких. Невский диалект. Санкт-Петербург, 2001,315.

12. ГОСТ 18856-81. Аппараты ИН и ИВЛ. Общие технические требования . Методы испытаний.

13. ГОСТ Р ИСО 10651.1-99 Аппараты ИВЛ медицинские. Часть 1. Технические требования.

14. ГОСТ Р ИСО 10651.3-99. Аппараты ИВЛ медицинские. Част. 3. Частные требования безопасности к аппаратам ИВЛ, применяемым в экстренных ситуациях и в транспортных средствах.

15. ГОСТ Р 50327.1-92. Аппараты ИН и ИВЛ.

16. ГОСТ Р 50663-99. Аппараты ИВЛ для оживления. Общие технические требования и методы испытаний.

17. ГОСТ Р 51535-99. Аппараты ИВЛ медицинские.

18. Кассиль В.Л. Искусственная вентиляция легких в интенсивной терапии. М. 1987.

19. Кореневский Н.А., Попечителев Е.П., Филист С.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий. Курск. 1999.- 537 с.

20. Кореневский Н.А., Попечителев Е.П., Филист С.А. Приборы и технические средства функциональной диагностики. Курск. 2004. 640 с.

21. Левшанков А.И. Метрологическая проверка средств измерений аппаратов искусственной вентиляции легких. В сб. «Актуальные вопросы технического обеспечения анестезиологической и реаниматологической помощи». СПб.: Агентство «РДК-принт», 2000. С 32-34.

22. Медицина катастроф./ Под ред. Гончарова С.Ф. Москва.- ВЦМК Защита. 1998.-238 с.

23. Медицина катастроф./Под ред. Рябочкина В.М. и Назаренко Г.И. Москва. ИНИ Лтд.-1996.-262 с.

24. Первая медицинская помощь в чрезвычайных ситуациях./под ред Агапова В.К.-Москва. 120 с.

25. Луценко А. Е., Сорокин А. А. Метод и система для адаптивной искусственной вентиляции легких. Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Известия ТЭТУ, 2004 г., Выпуск № 1, С. 54 59;

26. Луценко А.Е., Сорокин А.А. Модифицированная модель процесса внешнего дыхания человека. Известия ТГРТУ. Медицинские информационные системы. 2002. С. 40-42;

27. Луценко А. Е., Сорокин А. А. К вопросу о комплексном исследовании функции внешнего дыхания человека. Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Известия ТЭТУ, 2003 г., Выпуск № 1, С. 32 -34;

28. Пинский И.Ф., Пельц A.M., Титов А.Д., Веткин А.Н. Математическая модель биомеханики дыхания при искусственной вентиляции легких. Медицинская техника, № 3,1990. С. 11 13.

29. Сахно И.И., Сахно В.И. Медицина катастроф. Организационные вопросы. -М.: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ. 2002. - 560 с.

30. Ремизов В.Д., Сорокин А.А. Пневматическая система управления медицинскими аппаратами. Свидетельство Роспатента на полезную модель № 16453 от 10.01.2001.34.