Модернизация блока управления аппарата искусственной вентиляции легких "Спирон–201"

Существуют также разногласия по вопросу о воздействии различных соотношений времени вдоха и выдоха на распределение воздуха в легких и отношение мертвого пространства к дыхательному объему.

Большинство исследователей считают, что ИВЛ значительно ухудшает механические свойства легких: их эластическое и аэродинамическое сопротивление вдоху возрастает. Увеличению последнего способствует турбулентность газового потока при ИВЛ. Что касается снижения растяжимости легких, то механизм его не совсем ясен, так как показано, что оно наступает буквально через несколько минут после начала ИВЛ [Mundeleer P., 1978].

Все же нам кажется, что влияние ИВЛ на газообмен и механику дыхания зависит прежде всего от исходного состояния легких и всего аппарата внешнего дыхания. Если вентиляционно-перфузионные отношения в легких до ИВЛ не были нарушены, то искусственное дыхание может существенно изменять их в отрицательную сторону. Но если ИВЛ начинают при острой дыхательной недостаточности, при которой обязательно нарушается отношение У_а/Q_т, то результат скорее всего оказывается обратным. Увеличивая число вентилируемых альвеол, ИВЛ способствует уменьшению шунтирования крови в легких, снижая тем самым D (А-а) о₂. В том, что это происходит, сомнений нет, так как нередко ИВЛ начинают при D (А-а) о₂ более 450 мм рт. ст. в условиях самостоятельного дыхания 100% кислородом (F_IО2=1,0). При этом Pa_О2 после начала ИВЛ, как правило, увеличивается, т.е. альвеолярно-артериальный градиент по кислороду значительно снижается. При этом сдвиг вентиляционно-перфузионных отношений в сторону увеличения V_а происходит не за счет дополнительных энергозатрат больного; наоборот, работа дыхания у него практически сводится к нулю.

То же можно сказать об увеличении отношения V_D/V_т. В условиях самостоятельного дыхания увеличение физиологического мертвого пространства снижает эффективность вентиляции легких и требует от больного дополнительных затрат энергии на работу дыхания. При ИВЛ эту работу выполняет респиратор, а увеличивая дыхательный объем, легко можно уменьшить V_D/V_T до нормальной величины, т.е. обеспечить необходимый уровень альвеолярной вентиляции.

Более существенное значение, на наш взгляд, имеет неравномерность вентиляции в плане опасности баротравмы и ателектазирования отдельных участков легких. Этот неблагоприятный эффект ИВЛ должен быть по мере возможности устранен.

В последние годы большое внимание уделяется влиянию ИВЛ на недыхательные функции легких. Установлено, что искусственное дыхание неблагоприятно сказывается на дренажной функции трахеобронхиального дерева. В связи с выключением нормального кашлевого механизма после интубации трахеи или трахеостомии кашель либо отсутствует, либо становится неэффективным даже при хорошей функции экспираторных мышц и достаточном резервном объеме вдоха. Поступление в дыхательные, пути недостаточно согретого и увлажненного воздуха, повышенное содержание кислорода в газовой смеси нарушают работу ресничек бронхиального эпителия и местный иммунитет дыхательной системы [Можаев Г.А., Носов В.В., 1985; Bilnenstock J., 1980, и др.]. Задержка, бронхиального секрета, изменение его реологических свойств вызывают резкое падение коллатеральной вентиляции - закрываются поры Кона. Вследствие лимфостаза происходит сужение мелких бронхов и бронхиол. Указанные изменения приводят к нарушению механических свойств легких, в первую очередь - к повышению сопротивления дыхательных путей. Обеспечение полноценного дренирования трахеобронхиального дерева - одна из первоочередных задач при проведении длительной ИВЛ.

Большое значение имеет влияние ИВЛ на распределение воды в легких. Необходимо напомнить некоторые сведения из физиологии.

Согласно современным представлениям, перемещение воды из внутрисосудистого в интерстициальное пространство и обратно зависит от перепада между гидродинамическим давлением внутри капилляра и гидростатическим вне его, а также от градиента коллоидно-осмотических давлений между плазмой и интерстициальной жидкостью. По закону Старлинга поток жидкости (Q) выражается следующим уравнением:

Q = К_ф[(Р_вс - Р_пв) -у (П_вс-П_пв)],

где К_ф - коэффициент фильтрации; у - коэффициент отражения для белков; Р_вс - внутрисосудистое гидродинамическое давление; Р_пв - периваскулярное гидростатическое давление; П_вс - коллоидно-осмотическое давление плазмы (внутрисосудистое); П_пв - коллоидно-осмотическое давление интерстициальной жидкости (периваскулярное).

В легких Р_пв соответствует альвеолярному давлению (Р_А) и, так же как Р_вс, меняется в течение дыхательного цикла.

В артериальной части капилляра, где гидродинамическое давление преобладает над периваскулярным гидростатическим и коллоидно-осмотическим, жидкость фильтруется в интерстиций (рис. 1.3.4). В венозной части, где периваскулярное коллоидно-осмотическое давление выше гидродинамического, происходит резорбция жидкости. Та часть жидкости, которая не подверглась резорбции, удаляется с лимфой.

Рис. 1.3.4

Однако взаимоотношения между Р_А, давлением в артериальном (Р_а) и венозном (P_v) участках капилляра зависят от положения различных участков легкого по, отношению к сердцу. Согласно J. В. West (1974) и G.Y. Gibson (1984), при вертикальном положении тела в легких можно различать четыре зоны, определяемые гравитационным фактором (рис. 1.3.5).

В верхней зоне (верхушки легких) среднее альвеолярное давление во время дыхательного цикла преобладает над артериальным, которое в свою очередь выше венозного:

Р_А > Р_а > P_v.

Здесь в норме легочный кровоток осуществляется только во время вдоха, когда Р_А становится ниже атмосферного.

В средней зоне артериальное давление становится выше альвеолярного, но последнее преобладает над венозным или равно ему:

P_a > Р_А > P_v.

Здесь легочный кровоток осуществляется не за счет разницы (Р_а - P_v), а благодаря градиенту (Ра - Рд).

В третьей зоне среднее альвеолярное давление в течение дыхательного цикла ниже артериального и венозного:

Р_а > P_v > Р_А.

Именно здесь легочное кровообращение осуществляется с наибольшей интенсивностью.

Наконец, в четвертой зоне (базальные отделы легких) существуют те же отношения:

Р_а > P_v >Р_А,

но перфузия снова снижается из-за местного увеличения интерстициального давления на прекапиллярные сосуды.

Следовательно, в нижних зонах легких Р_вс всегда выше Р_пв (поскольку Р_пв = Р_А) и фильтрация жидкости происходит наиболее интенсивно. Нижние отделы легких, составляющие всего 25 -30% их общей массы, продуцируют около 50% лимфы, оттекающей по правому лимфатическому протоку [Dembling R.N., 1975].

ИВЛ, существенно изменяя регионарные взаимоотношения между альвеолярным, артериальным и венозным давлением [Зильбер А.П., 1978] (рис. 1.3.6), в значительной степени нарушает процесс обмена воды в легких. А.В. Бобриков и соавт. (1981) показали в эксперименте, что постоянное повышение внутрилегочного давления уже через 3 ч вызывает накопление жидкости в легких. При ИВЛ лимфоток из легких снижается [Caldini P., Leitz DJ., 1975; Schad H. et al., 1978, и др.].



Рис. 1.3.6

Повышенное внутригрудное давление сдавливает правый лимфатический проток, затрудняя отток лимфы из легких. Кроме того, при высоком альвеолярном давлении во время искусственного выдоха может наступить сдавление легочных капилляров. Это значительно усиливает процесс фильтрации воды из артериальной части капилляра в интерстиций, особенно из экстраальвеолярных сосудов, где давление выше, чем в легочных капиллярах. Указанные процессы могут привести к образованию периваскулярных скоплений жидкости в виде муфт, окружающих капилляры. Задержка воды в легких особенно выражена при увеличении Р_Асо. Гипокапния несколько уменьшает опасность развития интерстициального отека [Schad H. et al., 1978, и др.]. Наконец, в условиях длительной ИВЛ может возникать гипопротеинемия из-за недостаточного снабжения организма энергией и пластическим материалом (азот). Это приводит к снижению коллоидно-осмотического давления плазмы, в результате чего могут развиваться отеки как в ткани легких, так и на периферии.

Приведенные выше данные показывают значение своевременного устранения метаболических нарушений у тяжелобольного в процессе ИВЛ. Сегодня чаще всего бывает трудно диагностировать и устранить задержку воды в легких, но несомненно, что работа в этом направлении должна быть продолжена.

Неблагоприятное влияние длительной ИВЛ на легочное кровообращение и метаболизм может привести к снижению активности и продукции сурфактанта, чему способствуют еще два фактора: высокое Fi_О2, и увеличение продукции антиальвеол при их растяжении большими дыхательными объемами. При повышении поверхностного натяжения в альвеолах возрастает эластическое сопротивление дыханию [Зильбер А.П., 1978, и др.].

Однако нельзя согласиться с тем, что длительная ИВЛ всегда вызывает снижение растяжимости легких. Как было показано ранее [Кассиль В.Л., 1974], этот процесс зависит не столько от самой ИВЛ, сколько от состояния легких в процессе искусственного дыхания. При развитии бронхолегочных осложнений (трахеобронхит; пневмония, ателектазы и др.) растяжимость легких прогрессивно снижается. По мере улучшения состояния больного растяжимость, как правило, постепенно увеличивается, становясь выше, чем до начала ИВЛ [Кассиль В.Л., Рябова Н.М., 1977].

1.3.4 Влияние на некоторые другие функции организма

В литературе описаны и другие неблагоприятные эффекты ИВЛ, в частности увеличение продукции антидиуретического гормона гипофизом, что приводит к повышению реабсорбции воды в канальцах почек и олигурии. Однако на практике мы никогда не наблюдали существенного отрицательного влияния ИВЛ на функцию почек. Наоборот, у больных с начинающейся почечной недостаточностью в результате длительной гипоксии, например при массивной кровопотере, экламптической коме, на фоне ИВЛ часто развивалась полиурия как фаза выхода из состояния почечной недостаточности. Факторами, способствующими восстановлению функции почек, являются устранение гипоксии, повышенного содержания катехол-аминов в крови и спазма артериол. Если у тяжелобольного возникла олигурия, то, как правило, это было вызвано какой-то другой причиной (интоксикация при перитоните, длительная гипотензия при травматическом шоке и т.д.).

Считается, что гипервентиляционный режим ИВЛ нарушает микроциркуляцию, вызывает сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина влево, что приводит к гипоксии тканей. Но это предположение также противоречит клинической практике. Применение ИВЛ у больных с острой дыхательной недостаточностью в значительной степени улучшает функцию паренхиматозных органов.

Проведение длительной ИВЛ может сопровождаться развитием ряда осложнений. Однако эти осложнения гораздо чаще возникают у больных, которым искусственное дыхание начинают слишком поздно, когда длительная гипоксия вызвала тяжелые, подчас неустранимые изменения в органах и тканях, а также при неправильном выборе параметров ИВЛ и плохом уходе за больным. Кроме того, ИВЛ является очень важным, но далеко не единственным методом лечения в системе интенсивной терапии. Нередко осложнения могут развиться из-за недостаточного питания больного, неправильного подбора антибактериальной терапии, несвоевременного устранения волемических и метаболических нарушений.

В табл. 1.3.1 представлены сводные данные о влиянии ИВЛ на некоторые функции организма в зависимости от условий, в которых она применяется.

Функция организма	При кратковремен - ной ИВЛ и здоровых легких в условиях наркоза	При длительной ИВЛ в условиях острой дыхательной недостаточности
Сердечный выброс	Может уменьшать- ся, особенно при гиповолемии	Не изменяется или увеличивается
Равномерность вентиляции легких	Ухудшается	Улучшается
Внутри легочный шнур справа на лево	Увеличивается	Уменьшается
D (А-а)О2	Увеличивается	Уменьшается
VD / VТ	Увеличивается, но это не имеет большого значения
Механические свойства легких	Ухудшаются	Могут улучшаться по мере ликвидации патологических процессов в легких
Дренажная функция дыхательных путей	Существенно не нарушается	Нарушается
Распределение воды в легких	Не нарушается (не успевает)	Нарушается
Периферическая микро циркуляция	Может ухудшаться	Улучшается

ИВЛ не является полноценной заменой нормального самостоятельного дыхания. С точки зрения физиологии последнее всегда лучше. Однако возникает вопрос: нормальное или нарушенное самостоятельное дыхание? Если оно нормальное и не требует от больного чрезмерных энергозатрат, тогда это положение вполне справедливо. Другое дело, когда собственное дыхание больного нарушено, когда оно не способно обеспечить организм необходимым ему в данный момент количеством кислорода, поддержать Ра_со2, на оптимальном в данный момент уровне, осуществляется с большим расходом энергии. При таких обстоятельствах ИВЛ становится абсолютно необходимой и польза от нее значительно превышает вредные эффекты.

Общепринято мнение, что следует выбирать наиболее «физиологичные» параметры искусственного дыхания, т.е. наиболее приближающиеся к параметрам спонтанного дыхания у здорового человека. Последняя рекомендация, может быть и справедливая для условий анестезии, когда ИВЛ чаще всего проводят человеку без дыхательных нарушений, на наш взгляд, не подходит к условиям интенсивной терапии. Мы уже упоминали, что большая часть данных о вредных эффектах ИВЛ получена в эксперименте или в наблюдениях за людьми со здоровыми легкими. Однако то, что плохо для здорового организма, может оказаться весьма полезным для больного. Как показано ниже, некоторые неблагоприятные эффекты ИВЛ, например повышенное внутри легочное давление, с успехом используются в лечебных целях. Некоторые «антифизиологичные» режимы ИВЛ оказывают благоприятное воздействие на гемодинамику и вентиляционно-перфузорные отношения в легких, если в результате тяжелого заболевания или травмы эти процессы оказались грубо нарушенными. На наш взгляд, следует стремиться не к «физиологичности» ИВЛ, ориентируясь при этом на нормальные константы здорового человека, а к соответствию параметров искусственного дыхания потребностям больного в каждый момент.

Однако в намерения автора вовсе не входит убеждать читателя, что неблагоприятными эффектами ИВЛ можно пренебрегать. Наоборот, как показано выше, надо не только помнить о них, но и применять ряд профилактических мероприятий, способствующих устранению их опасных последствий. Четкое представление о патофизиологии ИВЛ наряду со строгим учетом клинических данных позволяет значительно повысить эффективность искусственного дыхания и избежать тяжелых осложнений.

1.3.5 Общие показания к ИВЛ

Несмотря на многочисленные работы, посвященные показаниям к ИВЛ при интенсивной терапии и многолетнее изучение вопроса, его нельзя признать окончательно решенным. Этот вопрос первостепенной важности, так как от своевременности начала во многом зависит эффективность искусственного дыхания. Одна из самых частых ошибок при лечении больных с острой дыхательной недостаточностью - позднее начало ИВЛ.

Ретроспективный анализ показывает, что среди наиболее тяжелого контингента больных с острой дыхательной недостаточностью (массивная кровопотеря, разлитой перитонит, послеродовая эклампсическая кома, критическая черепно-мозговая травма, тяжелая множественная травма, множественный перелом ребер, механическая асфиксия), которым потребовалось длительное проведение ИВЛ, летальность составляла в среднем 55,2%. Но если ИВЛ начинали в пределах первых 3 ч от момента появления дыхательной недостаточности, то летальность равнялась 37,1%, в промежутке от 3 до б ч - 52,5%, позже 6 ч - 80,6% [Кассиль В.Л., 1981]. Однако общеизвестно, что далеко не каждый больной с признаками дыхательной недостаточности нуждается в ИВЛ. Установление точных критериев, позволяющих начать искусственное дыхание своевременно, когда оно становится действительно необходимым, имеет большое практическое значение. Это позволит избежать фатальной потери времени, когда все лечебные мероприятия делаются малоэффективными или бесполезными из-за развития необратимых процессов в органах и тканях вследствие длительной гипоксии.

Показания к ИВЛ следует устанавливать с учетом характера основного патологического процесса, вызвавшего дыхательную недостаточность, патогенеза последней и индивидуальных особенностей больного. Больные различного возраста, с разными заболеваниями и травмами неодинаково переносят гипоксию (и гиперкапнию), по-разному реагируют на нее и имеют неодинаковые компенсаторные возможности. Так, сопротивление дыхательных путей может быть значительно увеличено у больных с хроническими обструктивными заболеваниями легких, но им далеко не всегда показана ИВЛ. У ряда больных с преобладанием рестриктивных процессов и хронически сниженной растяжимостью легких, уменьшенной альвеолярном вентиляцией, постоянно сохраняется гиперкапния. Это само по себе тоже не свидетельствует о необходимости применять ИВЛ во всех случаях. Следовательно, существуют частные показания к искусственному дыханию.

Здесь мы остановимся на общих показаниях к ИВЛ, которые можно условно разделить на две группы: чисто клинические и выявляемые инструментальными методами исследования.

1.3.6 Клинические показания к ИВЛ

В экстренных ситуациях, когда тяжесть состояния больного или отсутствие необходимого оснащения делают невозможным его детальное обследование, показаниями к ИВЛ являются:

1) отсутствие самостоятельного дыхания (апноэ);

2) остро развившиеся нарушения ритма дыхания, патологические ритмы, дыхание агонального типа;

3) учащение дыхания более 40 в минуту, если это не связано с гипертермией (температура тела выше 38,5 °С) или выраженной не устраненной гиповолемией;

4) клинические проявления нарастающей гипоксемии и (или) гиперкапнии, если они не исчезают после проведения консервативных мероприятий: обезболивания, восстановления проходимости дыхательных путей, кислородной терапии, ликвидации опасного для жизни уровня гиповолемии и грубых нарушений метаболизма.

Первые два пункта представляют собой абсолютные показания к ИВЛ (естественно, речь не идет о больных с инкурабельными злокачественными процессами). Остро возникшие нарушения ритма дыхания - свидетельство глубоких нарушений центральной регуляции дыхания. Исключение составляют больные с диффузным атеросклеротическим поражением головного мозга и сердечной недостаточностью. У них нередко возникает дыхание типа Чейна - Стокса, которые удается ликвидировать фармакологическими препаратами.

Учащение дыхания - показание относительное. Цифра 40 является условной, но все же ее можно считать рубежом, после которого может легко наступить декомпенсация самостоятельного дыхания. Тахипноэ приводит к нарушению распределения воздуха в легких и значительному возрастанию отношения V_D/V_Т, требует большого расхода энергии, истощает силы больного. Если после снижения температуры тела, восстановления объема Циркулирующей крови, устранения грубых нарушений метаболизма тахипноэ сохраняется, а тем более имеет место тенденция к его нарастанию, то необходима ИВЛ, тем более что произвести коррекцию метаболических нарушений в условиях сохраняющейся или углубляющейся гипоксии чаще всего не удается.

Наконец, клинические признаки нарастающей дыхательной недостаточности мы считаем одним из наиболее важных критериев. Динамическое наблюдение позволяет выявить и оценить степень выраженности основных симптомов. Особое значение мы придаем нарушениям психики и сознания, которые свидетельствуют о гипоксической энцефалопатии.

В некоторых наблюдениях эти симптомы могут регрессировать после проведения полноценного обезболивания, восстановления проходимости дыхательных путей, ингаляций кислорода. Но если клиника гипоксии быстро нарастает, то ждать эффекта от консервативных мероприятий не следует, показана ИВЛ.

1.3.7 Показания к ИВЛ на основании данных инструментального исследования

Некоторые авторы считают основным для установления показаний к ИВЛ изучение КОС и газов крови. При этом приводятся величины параметров в весьма широком диапазоне. Так, считается необходимым начинать ИВЛ, если Ра_О2, снижается до 70-60 мм рт. ст., а Ра_О2 повышается до 55 -80 мм рт. ст. [Гологорский В.А., 1972; Гейро-нимус Т.В., 1975; Зильбер А.П., 1978; Глумчер Ф. С» 1985; Norlander О., 1968, и др.]. Расхождение в цифрах объясняется разным контингентом больных, находившихся под наблюдением различных исследователей, и неодинаковыми условиями обследования (в первую очередь - при каком Fi_О2, определяли Ра_О2). Отметим также, что гиперкапния при острой дыхательной недостаточности развивается достаточно редко, в основном при выраженной обструкции дыхательных путей, сдавлении легкого, нарушениях функций дыхательных мышц. Кроме того, присоединение к гипоксии гиперкапнии свидетельствует о далеко зашедшей дыхательной недостаточности.

По нашему мнению, однократное исследование газов крови вообще мало информативно, если результаты его не сопоставляются с клиническими данными. Кроме того, выраженное снижение Рао, особенно в условиях оксигенотерапии, - поздний признак, свидетельствующий о наступившей декомпенсации. Мы полностью согласны с Н.М. Рябовой (1974), что начинать ИВЛ надо в стадии максимального напряжения компенсаторных механизмов, когда Рао, остается на достаточно высоком уровне и отмечается нарастающая гипокапния или нормокапния на фоне резкого увеличения МОД. Мы не можем согласиться с мнением А.С. Сметнева и В.М. Юревича (1984), что главным (если не единственным) показанием к ИВЛ является «абсолютная» гиповентиляция с повышением Ра_СО2.

Ряд исследователей справедливо полагает, что показания к ИВЛ должны быть основаны в первую очередь на изучении функционального состояния аппарата внешнего дыхания и его резервных возможностей. Большое значение имеет также энергетическая цена дыхания, т.е. то, какую работу затрачивает организм больного для обеспечения адекватной альвеолярной вентиляции. Считается, что работа дыхания более 1,8 кгм/мин [Peters R. М. et al., 1972] или 3 кгм/мин [Зильбер А.П., 1984] быстро приводит к декомпенсации вентиляторного аппарата. Как видит читатель, здесь также имеется значительное расхождение в цифрах. Кроме того, определение величины работы дыхания является сложной и не всегда доступной задачей. Более просто определить максимальное разрежение, которое способен создать больной при попытке вдоха из замкнутой маски. Если разрежение меньше -25 см вод. ст., то показана ИВЛ. [Гёйронимус Т.В., 1975].

При исследовании функции и механики дыхания информативными тестами являются ЖЕЛ (менее 10 - 15 см³/ кг) и объем форсированного выдоха (менее 10 см³/кг). ИВЛ считается также показанной при снижении растяжимости легких ниже 0,06 л/см вод. ст., сопротивлении дыхательных путей выше 13 -14 см вод. ст./ / (л* ^с-1) и отношении V_D/V_Т более 0,6.

Исключительно большое значение придают альвеолярно-артериальному градиенту по кислороду в условиях дыхания 100% кислородом. Увеличение D (А - а)_О2, более чем до 350 -450 мм рт. ст. (снова расхождение в цифрах!) является показанием к ИВЛ.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что, на наш взгляд, первостепенное значение имеют клинические данные. Если состояние больного позволяет выжидать, а не требует экстренных мероприятий, то ориентироваться следует не столько на абсолютные величины результатов инструментального обследования больного, сколько на их динамику, сопоставляя ее с развитием клиники. Ниже мы приводим общие показания к ИВЛ на основании различных источников и результатов собственных наблюдений.

Характер дыхания	Апноэ, нарушения ритма дыхания
Частота дыхания	Более 40 в минуту
Другие клинические признаки	Спутанность сознания, повышенная влажность кожных покровов, цианоз, стойкая тахикардия
МОД	Прогрессирующее увеличение
ЖЕЛ	Прогрессирующее снижение до 12см3/кг
Объем форсированного выдоха	Ниже 10 см3 /кг
Разрешение при вдохе из замкнутой маски	Менее - 25 см вод. ст.
Растяжимость легких	Менее 0,06 л/см вод. ст.
Сопротивление дыхательных путей	Более 13 см вод. ст./(л*с-1)
VD /VТ	Более 0,6
РаО2	Прогрессирующее снижение ниже 70 мм рт. ст., если это сочетается с клиническим проявлением гипоксии
РаСО2	Прогрессирующее снижение ниже 25 мм рт. ст.
D (A - а) О2	Более 400 мм рт. ст.

Показания к ИВЛ могут возникнуть как при постепенном нарастании, так и при быстром развитии дыхательной недостаточности. В первом случае вопрос о применении респиратора решается на основании совокупности данных, в том числе ряде объективных тестов. Последние играют очень важную роль и позволяют судить, продолжать ли консервативную терапию, или начинать ИВЛ. Однако переоценивать их значение не следует.

Мы не можем согласиться с категорическим утверждением Т.С. Гейронимуса (1975), что, не зная газов крови, ни начинать, ни проводить ИВЛ невозможно. Ситуации, в которых приходится лечить больного с острой дыхательной недостаточностью, весьма различны. Очень многое зависит от опыта и знаний врача, его умения правильно оценивать состояние больного, вовремя распознать и интерпретировать клинические симптомы. Но даже если врач и считает, что ИВЛ показана, он должен реально оценить возможность обеспечить наблюдение и уход за больным. После интубации трахеи или трахеостомии судьба больного во многом зависит от квалификации и добросовестности всего персонала. Если он не имеет достаточного опыта, а показания к ИВЛ относительны, то лучше усилить консервативную терапию. Если же ИВЛ безусловно необходима, следует подумать, не целесообразнее ли перевести больного в другое лечебное учреждение.

Необходимо сделать одно замечание. Нам не раз приходилось присутствовать при весьма эмоциональных спорах (и принимать участие в них) о том, надо ли начинать ИВЛ? Обычно эти дискуссии возникают между реанима-тологами и врачами других специальностей (хирурги, терапевты, инфекционисты и др.), но нередко и среди специалистов в области интенсивной терапии. Считаем, что последнее слово всегда должно оставаться за реаниматологом, если он обладает достаточной квалификацией и способен взять на себя ответственность за принятие решения. Какими бы высокими званиями ни обладали представители других специальностей и администрации лечебных учреждений, они не должны считать себя компетентными в таком сложном вопросе, как проведение ИВЛ.

1.4 Вывод уравнения движения следящей системы

В данном разделе проводится вывод уравнения движения электропривода асинхронного электродвигателя, находящегося в генераторе вдоха. Для более точной работы двигателя, на его выходном валу был установлен тахогенератор, в результате чего получилась следящая система.

Дифференциальное уравнение системы может быть найдено из уравнений ее элементов путем их совместного решения.

Прежде всего запишем уравнения отдельных элементов системы. Для элемента сравнения справедливо соотношение

=_вх - _вых, (1.4.1)

где - рассогласование, снимаемое с элемента сравнения;

_вх и _вых - соответственно углы поворота входного и выходного валов системы.

Для преобразователя запишем уравнение

U=k_n, (1.4.2)

где U - измеритель рассогласования (потенциометры);

k_n - коэффициент пропорциональности, характеризующий крутизну характеристики U=f() преобразователя.

Коэффициент пропорциональности можно выразить как k_n=U/ и измерять в вольтах на градус. Таким образом, этот коэффициент показывает, какое напряжение сигнала ошибки приходится на единицу угла рассогласования.

Для тахогенератора

U_m=k_m; (1.4.3)

Для усилителя

U_a=k_yU_вх, (1.4.4)

где U_а - выходное напряжение усилителя, поступающее в цепь якоря исполнительного двигателя;

k_y - коэффициент усиления усилителя по напряжению;

U_вх= U - U_m; (1.4.5)

Для того чтобы вывести дифференциальное уравнение двигателя, рассмотрим протекающие в нем процессы, принимая следующие допущения:

- внутреннее сопротивление выходного каскада усилителя равно нулю;

- коэффициент самоиндукции цепи равен нулю;

- Реакция якоря отсутствует.

Уравнение равновесия э.д.с. для цепи якоря двигателя имеет следующий вид:

U_a=I_aR_a+E_a, (1.4.6)

где U_a - приложенное к цепи якоря напряжение;

I_a - ток якоря;

R_a - сопротивление якоря;

E_a - противо-э.д.с., возникающая в обмотке якоря при вращении.

На основании закона Фарадея получим

E_a=k_eФ, (1.4.7)

где k_e - коэффициент пропорциональности, характеризующий конструкцию электродвигателя;

Ф - поток возбуждения;

- скорость вращения ротора.

Подставив (2.4.7) в (2.4.6), получим

U_a=I_aR_a+ k_eФ, (1.4.8)

Запишем уравнение равновесия моментов электродвигателя

М_вр=М_ст+М_дин, (1.49)

Электромагнитный вращающий момент двигателя М_вр может быть выражен как

М_вр=k_мФI_a, (1.4.10)

где k_м - коэффициент пропорциональности, характеризующий магнитную проводимость магнитопровода электродвигателя.

Статический момент М_ст, действующий на валу двигателя, можно представить как

М_ст=М_хх+М_н, (1.4.11)

где М_хх - момент холостого хода;

М_н - момент создаваемый нагрузкой.

Динамический момент на валу двигателя М_дин имеет место при изменении скорости вращения и может быть выражен как

М_дин=J, (1.4.12)

где J - момент инерции вращающихся частей;

- ускорение вращения.

Решим уравнение (2.4.8) относительно тока якоря I_a:

I_a=, (1.4.13)

Подставив (2.4.13) в (2.4.10) получим:

М_вр=, (1.4.14)

Полученное уравнение (2.4.14) называется уравнением механической характеристики электродвигателя, которая представляет собой зависимость =f(М) между моментом на валу двигателя и скоростью его вращения.

Для построения механической характеристики найдем точки ее пересечения с осями координат. Если по оси абсцисс откладывать момент М_вр, а по оси ординат - скорость вращения , то, учитывая, что уравнение (2.4.14) относительно интересующих нас значений М_вр и является уравнением первой степени, можно представить механическую характеристику двигателя в виде прямой, пересекающей оси координат в двух точках.

Для нахождения точки пересечения характеристики с осью абсцисс положим

=0. С учетом этого условия из уравнения (2.4.14) получим

М_вр=М_n=, (1.4.15)

где М_n - пусковой момент двигателя, т.е. момент вращения, развиваемый двигателем при пуске, когда =0.

Для определения точки пересечения характеристики с осью ординат положим М_вр=0 и подставив это условие в уравнение (2.4.14), получим

0=- (1.4.16)

где _хх - скорость холостого хода двигателя (при отсутствии нагрузки на его валу).

Решим уравнение (2.4.16) относительно скорости. Получим

. (1.4.17)

Построим по полученным точкам механическую характеристику двигателя.

Из приведенного графика, а также уравнений (2.4.14) и (2.4.15) вытекает следующее соотношение:

М_вр=М_n-F, (1.4.18)

где F= называется коэффициентом вязкого трения двигателя и характеризует жесткость его механической характеристики.

Из выражения (2.4.15) можно получить следующее соотношение

, (1.4.19)

где - коэффициент пропорциональности между пусковым моментом двигателя и приложенным к его якорю напряжением.

Из уравнений (2.4.4), (2.4.3) и (2.4.5) выразим входное напряжение усилителя следующим образом:

U_вх⁼k_n-k_m, (1.4.20)

тогда выходное напряжение усилителя

U_a=k_nk_y-k_mk_y, (1.4.21)

при этом пусковой момент двигателя

М_n=k_nk_yk_dU - k_mk_yk_dU, (1.4.22)

где К₀= k_nk_yk_dU - передаточный коэффициент системы;

F₁= k_mk_yk_dU - коэффициент успокоения, вносимого тахогенератором.

Получим

М_n=K₀ - F_1. (1.4.23)

Подставив (2.4.24) в (2.4.18), получим

М_вр=К₀ - F₁ - F

или

М_вр=К₀ - (F+F₁). (1.4.24)

Уравнение равновесия моментов двигателя запишется в следующем виде:

К₀ - (F+F₁)= +М_ст (1.4.25)

Производя замену _вых=_вх - , получим

Это выражение представляет собой дифференциальное уравнение движения следящей системы с принимающим тахогенератором.

Важнейшим показателем, характеризующими поведение система, является ошибка слежения . Получим выражения для статической и динамической установившихся ошибок.

Так как статическая ошибка _ст оценивается по окончании движения, т.е. при неподвижных входном и выходном валах, примем . Из этого следует, что . А так как в состоянии покоя системы ее ошибка должна быть постоянна, то и .

Отсюда получим

К_0ст=М_ст (1.4.26)

откуда

_ст=. (1.4.27)

Полагая, что входной и выходной валы движутся с одинаковой постоянной скоростью =_уст=const, примем . А так как в установившемся режиме ошибка слежения постоянна, то и . Отсюда получим

К₀=(F+F₁)_уст+М_ст, (1.4.28)

но =_ст+ _dy. (1.4.29)

Следовательно,

К₀(_ст+_dy)=(F+F₁)_уст+М_ст, (1.4.30)

отсюда

_ст+_dy= (1.4.31)

или, учитывая формулу (2.4.27),

_dy= (1.4.32)

2. Расчетно-конструкторская часть

2.1 Расчет и выбор элементов электрической схемы

Аппараты искусственной вентиляции легких по классификации медицинских аппаратов ГОСТ Р50444 - 92 относятся к изделиям класса А, вероятность безотказной работы которых задается равной 0,99 в течение заданной наработки.

Целью данного расчета является анализ данных по надежности микроконтроллера, входящего в состав блока управления аппаратом искусственной вентиляции легких «Спирон - 201», а так же подбор надежных элементов для управления аппаратом.

Значения интенсивностей отказов, режимы работы и поправочные коэффициенты по справочникам [2,3,4] элементов схемы КФБН.941200.731 Э3 приведены в таблице 2.1.1.

Так как было применено дублирование соединителей и дорожек монтажных их вероятность безотказной работы рассчитывается по формулам:

P_с(t) = 1 - (1 - e^{-лс t})² (2.1.1)

P_Д(t) =1 - (1 - e^{-лД t})² (2.1.2)

Вероятность безотказной работы остальных элементов микроконтроллера определяется уточненным средне - групповым методом по формуле:

, (2.1.3)

где _i- интенсивность отказов элемента.

Вероятность безотказной работы всего микроконтроллера будет рассчитываться по формуле (2.1.4).

P_общ(t) = P_c(t)? P_д(t)?P(t) (2.1.4)

1. Рассчитаем вероятность безотказной работы в течение заданной наработки.

				Коэф-т нагрузки Кн	Температура рабочая Т,о С
Микросхемы: КР580ВВ55А КР580ВИ53 К555ЛА3 К580ГО324 К555ИД7 К580ВМ80А КР580ВВ51А КР580ВИ53 КР580ВМ52 К580ВК28 К170АР2 К170УР2 К555АР3 К555ИД7 К555ЛЕ1 КР537РУ8А К555ИР22 КР580В555А КР580ВА87 К1816ВЕ35 К580ВР43	D1 D2 D3 D4 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12, D13 D14 D15 D16 D17 D18 D26 D21 D24 D25 D28	1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	0,1	0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5	40	1	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Кварц: 18 мГц 6 кГц	B1 B2	1 1	0,07 0,07	0,5 0,5	40	1,5	0,105 0,105	0,105 0,105
Резисторы: Млт - 0,25	R1-R17	17	0,04	0,5	40	2,5	0,1	1,7
Диоды: КД 522 Б	V1 - V2	2	0,2	0,8	40	1,19	0,238	0,476
Конденсаторы: К50-35 К10-7В	С2, С3, С8, С28 С21 С1, С4, С5, С9-С27, С29, С30	5 24	0,135 0,035	0,56 0,56	40	2	0,27 0,07	0,35 6,48
Соединители:	Х1-Х10	10	0,05	0,4		10	0,5	5
Выводы: Пайка		507	0,004	1		1	0,045	2,028
Провода: Дорожки монтажные		439	0,015	1		1	0,015	6,585

P_c(2000) = 1 - (1-е^{-0,000005?2000})² = 0,9999

Р_д(2000) = 0,9998

Р(2000) = е^-Л?2000 = 0,977, где Л = ?л_i = 16,4? 10^-6

Р_общ(2000) = 0,9999?0,9998?0,967 = 0,967

2. Рассчитаем вероятность безотказной работы за время средней интенсивности эксплуатации.

P_c(8) = 1 - (1-е^-0,000005?8)² = 0,99999999

Р_д(8) = 0,99999999

Р(8) = е^-Л?8 = 0,999, где Л = ?л_i = 16,4? 10^-6

Р_общ(8) = 0,99999999?0,99999999?0,999 = 0,9989

Доза отказа ИЭТ существенно зависит от интенсивности излучения ИИ, а ресурс изделий в радиационных полях в 2 -5 раз ниже показателей приводимых в ТУ на ИЭТ. [2]. При этом интенсивность отказов увеличивается в 2 - 5 раз, т.е.

Л= 0,000049;

л_с = 0,000015;

л_д = 0,00002.

Получим

Р_с ^и(8) = 0,9999999;

Р_д ^и(8) = 0,9999999;

Р^и(8) = 0,999;

Р_общ(8) = 0,99899.

Р_с ^и(2000) = 0,999;

Р_д ^и(2000) = 0,998;

Р^и(2000) = 0,906;

Р_общ(2000) = 0,904.

Следовательно, в условиях действия ИИ от дефибриллятора и рентгеновского аппарата, вероятность безотказной работы по ГОСТу Р50444-92 не достаточна.

Для повышения надежности микроконтроллера необходимо:

1. Для эффективного уменьшения воздействий электромагнитных излучений рекомендуется экранирование микроконтроллера.

2. Заменить некоторые элементы на зарубежные аналоги:

КР580ВИ53 - времязадающее устройство на I8253;

К580ВК28 - комбинированное устройство на I8228;

К580ВМ80А - микропроцессор на I8080;

КР580ВВ51А - устройство управления вводом - выводом на I8251;

К1816ВЕ35 - микро - ЭВМ на I8025;

К555АП3 - формирователь разрядных токов на I4240;

КР580ВВ55А - I8255A;

К555ИД7 - SN74LS138N;

КР580ВН59 - I8259;

К555ЛЕ1 - SN74LS02N;

КР537РУ8А - HM6516;

КР580ВА87 - I8257;

К555ИР22 - SN74LS373N;

К580ВР43 - I8243.

Расчет интенсивности отказов зарубежных микропроцессоров производится по справочнику [6].

л = (С₁? р_т + С₂? р_Е)?р_Q?р_L?10^-6 1/час,

где С₁ - коэффициент, учитывающий количество элементов в кристалле микросхемы,

С₂ - коэффициент, учитывающий количество ножек микросхемы, коэффициент, учитывающий

р_т - коэффициент, учитывающий рабочую температуру микросхемы,

р_Е - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации элемента (в данном случае на земле),

р_Q - коэффициент, учитывающий качество изготовления,

р_L - коэффициент, учитывающий время выращивания кристалла.

л = (0,08?0,03+0,015?0,4)?0,9?1?10^-6 = 0,0076?10^-6

Заменив, отечественные микросхемы на их зарубежные аналоги, рассчитаем вероятность безотказной работы микроконтроллера.

Р_з (8) = е^-Л?8 = 0,9998,

Рз_общ(8) = 0,99999999?0,99999999?0,9998 = 0,9998

Р_з(2000) = е^-Л?2000 = 0,989, где Л_з = 14,36

Р_общ(2000) = 0,9999?0,9998?0,989 = 0,989

Такая вероятность безотказной работы соответствует ГОСТу Р50444-92 для изделий класса А.

2.2 Расчет экрана блока управления

Для повышения надежности необходимо экранировать блок печатных плат, находящихся в блоке управления, от внешних источников помех.

Экран представляет собой металлический параллелепипед, разделяющий две области пространства, и предназначен для регулирования распространения электромагнитных полей от одной из этих областей к другой.

Степень экранирования оценивается величиной коэффициента экранирования

К _Э=,

где Н_н - напряженность наружного поля;

Н_в - напряженность того же поля внутри экрана.

Предельно допустимый уровень воздействия магнитного поля для человека при длительном воздействии равен Н_в=0,8 А/м. (Инструкция главного Государственного санитарного врача от 16.8.1977 №1742). Уровень магнитного поля от медицинской установки УМ-8 составляет 40А/м

К_Э=

Коэффициент экранирования материала рассчитывается по формуле [7,9]

К_Э=_., (2.2.1)

где - магнитная проницаемость материала;

R_в - среднее арифметическое внутренних размеров экрана по трем его главным осям;

R_н - среднее арифметическое наружных размеров экрана.

Толщина экрана

=R_н-R_в (2.2.2)

Выведем формулу для расчета R_н

, (2.2.3)

R_в=мм

Для экранирования электромагнитных полей используют материалы с высокой магнитной проницаемостью. В качестве такого материала подходит пермаллой [8].

Для пермаллоя марки 79 НМ =2010³

R_н==228 мм

=228-227,7=0,3 мм

Вывод: блок плат, находящихся в блоке управления необходимо экранировать пермоллоем марки 79НМ толщиной 0,3 мм. На чертеже КФБН941400.731 СБ представлен экран с размерами и полученной толщиной. Экран понижает интенсивность отказов элементов печатных плат в 2 - 3 раза, в результате чего повышается надежность блока управления, а так же и всего аппарата.

2.3 Расчет основных параметров следящей системы

Рассчитаем момент инерции всей системы. Он равен суммарному моменту ее составляющих.

J=J_пр +J_дв. +J_тг, (2.3.1)

где J_пр - момент инерции системы,

J_дв - момент инерции двигателя,

J_тг - момент инерции тахогенератора.

J_дв=1,210^-4кгм²,

J_тг=0,510^-4кгм² [11].

На валу расположены цилиндрические кулачки с радиусом 0,02 м и длиной 0,01 м. Момент инерции одного кулачка равен

, (2.3.2)

где m - масса кулачка,

R - радиус кулачка.

, (2.3.3)

где Р=7,710³ кг/м³,

V=R²L=3,140,0040,01=1,25610^-5 м³.

кг.

кгм²

Так как на валу стоит три кулачка, то J_пр=5,710^-6кгм².

Момент инерции всей системы

J= 1,210^-4+0,510^-4+0,05710^-4=1,75710^-4 кгм²

Рассчитаем коэффициент вязкого трения двигателя

F=, (2.3.4)

где k_м= 7,19 - коэффициент характеризующий магнитную проводимость магнитопровода электродвигателя,

k_е=1,2 - коэффициент прпорциональности характеризующий конструкцию электродвигателя,

Ф=610^-4 Вб,

R_а=180 Ом - сопротивление ротора.

.

Рассчитаем коэффициент успокоения, вносимого тахогенератором

, (2.3.5)

где k_m - передаточный коэффициент тахогенератора,

k_у =20 - коэффициент усиления усилителя по напряжению,

k_dU - коэффициент пропорциональности между пусковым моментом двигателя и приложенным к его якорю напряжением.

, (2.3.6)

, (2.3.7)

где = 141,4 - скорость вращения тахогенератора,

U_вых =11В - выходное напряжение тахогенератора,

М_п - пусковой момент двигателя.

, (2.3.8)

где М_ном - номинальный момент двигателя.

, (2.3.9)

где Р=50В=510 кгсм/сек

кгсм,

кгсм.

,

Получим

.

Рассчитаем передаточный коэффициент ситемы

(2.3.10)

где k_п=0,08 В/рад - коэффициент показывающий, какое напряжение сигнала ошибки приходится на единицу угла рассогласования.

2.4 Моделирование работы электропривода

В данном разделе проводится моделирование следящей системы, дифференциальное уравнение движение которой было получено в пункте (1.4) и имеет вид

Рассмотрим, как ведет себя следящая система в переходном процессе. Для этого следует задаться определенным законом движения входного вала системы.

Пусть до момента t=0 система находится в покое и ее выходной вал неподвижен. В

момент t=0 входной вал начинает вращаться с постоянной скоростью.

Для этих условий уравнение движения следящей системы примет вид:

(2.4.1)

для следящих систем в переходных процессах можно пренебречь влиянием статического момента нагрузки М_ст по сравнению с динамическим моментом М_дин. Это значительно облегчает анализ системы, так как упрщается ее дифференциальное уравнение.

Итак, пренебрегая статическим моментом нагрузки, получим

(2.4.2)

Передаточная функция будет иметь вид

(2.4.3)

График переходного процесса представлен на рисунке (2.4.1.)

Время переходного процесса t_п.п.= 0,12 сек

Перерегулирование =42,87%.

Для сравнения приведем график переходного процесса для системы без тахогенератора.

Передаточная функция в этом случае будет иметь вид

 (2.4.4)

График переходного процесса представлен на рисунке (2.4.2)

Рисунок 2.4.1 График переходного процесса следящей системы

Рисунок 2.4.2 График переходного процесса системы без тахогенератора

Переходный процесс для двигателя получился колебательный, поэтому на выходе воздуходувки воздух выходит не равномерно. Для того, чтобы сгладить неравномерность в АИВЛ «Спирон-210» перед и после воздуходувки были установлены ресиверы. После того как установили тахогенератор, колебания уменьшились и на много раньше установился установившийся режим.

2.5 Расчет основных параметров электродвигателя

Тип двигателя АВЕ-052-4

Технические данные: [11]

Полезная мощность на валу P₂=50 Вт

Скорость вращения ротора n =1350 об/мин.

Частота сети f=50 Гц

Напряжение питательной сети U₁=220 В

Напряжение на зажимах управляющей обмотки U₃=220 В

Число фаз статора m₁=2

Момент инерции ротора 1,2 кгсм²

Кратность пускового момента m_p=0,5

Электоромеханическая постоянная времени Т_М=0,2 сек

Cos ц = 0,95

КПД = 50%.

Весь расчет ведется по справочникам [10, 11].