Генераторы вдоха

Генератор вдоха — важнейший узел аппарата, во мно­гом определяющий его свойства, выполняется в двух функ­ционально различных вариантах [Гальперин Ю.С., Юревич В.М., 1980]. Генератор вдоха постоянного потока создает поток газа, текущий только в одном направлении, чаще всего с примерно постоянной скоростью. Характеристики создаваемых аппаратом с генератором та­кого типа функциональных кривых приведены на рис. 12,а.

12. Функциональные характеристики аппарата ИВЛ с генератором вдоха постоянного (а) и переменного (б) потока:

V — объемная скорость движения газа; Р_{р —} давление «во рту»; Vт — дыха­тельный объем; t — время; Т_I — продолжительность вдоха; T_E — продолжитель­ность выдоха; Т_c — продолжительность дыхательного цикла.

Отличительным признаком генератора вдоха пе­ременного потока является возможность выделе­ния двух состоянии: вдоха, когда газ непосредственно или через разделительную емкость подается пациенту, и состояния выдоха, во время которого генератор набирает но­вую порцию газа.

Если в насосе-генераторе постоянного потока единичный рабочий цикл либо вообще невозможно выделить, либо его длительность намного меньше длительности дыхательного цикла, то единичный рабочий цикл генератора вдоха пере­менного потока полностью совпадает с длительностью фаз дыхательного цикла.

Примерами генератора вдоха постоянного потока могут служить инжекторы, часто применяющиеся в аппаратах с приводом от сжатого газа, или насосы, рабочий орган ко­торых с помощью электропривода выполняет движение с большой частотой.

Генераторы вдоха переменного потока обычно выполня­ются в виде насоса, рабочим органом которого служит мех, поршень или мембрана, приводимые в возвратно-по­ступательное движение механическим, пневматическим или электромагнитным приводом с частотой, равной частоте дыхания. Так как в каждом рабочем цикле такого генера­тора необходимо разогнать, остановить, а затем разогнать в обратном направлении значительные массы подвижных частей, то подача газа генератором переменного потока во время одного акта вдоха характеризуется постепенным возрастанием вдоха и постепенным снижением этой ско­рости к концу вдоха (рис. 12,6).

Из наиболее известных отечественных и зарубежных мо­делей генераторы вдоха постоянного потока имеют аппа­раты «Лада», РД-1, «Пневмотрон-80» и др. Генераторы вдоха переменного потока имеют аппараты ДП-8 и «Вита-1», зарубежные модели «Энгстрем-300» и SF-4 с элек­троприводом, аппараты «Эигстрем-2000» и «Сервовентилятор» с пневмоприводом.

При сравнении генераторов вдоха постоянного и пере­менного потока отмечается, что синусоидальное изменение скорости вдувания, часто встречающееся в генераторах вдоха переменного потока, ближе к пневмотахограмме са­мостоятельного дыхания. Преимущества той или иной фор­мы скорости вдувания не имеют в настоящее время, об­щепринятой оценки.

Возможность изменять скорость вдувания при прочих равных условиях работы наталкивается на серьезные тех­нические трудности, при преодолении которых проявляются принципиальные различия генераторов вдоха постоянного и переменного потока. Задать требуемую форму ско­рости вдувания в генераторах переменного потока с наи­более распространенным механическим приводом означает предусмотреть возможность изменения кинематики приво­да с сохранением частоты и амплитуды движения рабоче­го органа. Это принципиально возможно, но не оправдано, поскольку усложняет конструкцию, производство и обслу­живание аппарата.

Проще осуществить управление формой скорости вду­вания в генераторах вдоха постоянного потока, поскольку здесь необходимо воздействовать только на малоинерци­онный поток газа.

По мере развития ИВЛ появляется тенденция к услож­нению требований к различным временным характеристи­кам дыхательного цикла. Организация в аппарате высоко­частотного режима работы, задержки на вдохе, вспомога­тельной вентиляции, изменения отношения продолжительностей вдоха и выдоха, перемежающейся принудительной вентиляции — все это требует в определенные моменты обе­спечить быстрое прекращение или, наоборот, начало вду­вания газа в легкие пациента.

Такое гибкое управление «ременными характеристиками дыхательного цикла практически неосуществимо в генераторах вдоха переменного потока с механическим приводом. Оно затруднительно и при других видах привода генераторов вдоха этого тина, поскольку такой генератор опре­деленную долю дыхательного цикла находится в состоя­нии подготовки к следующему вдуванию газа. Например, для реализации вспомогательной ИВЛ нужно начать по­дачу газа пациенту с задержкой не более 0,1 с после его дыхательного усилия. В тех случаях, когда пациент пытается осуществить вдох в интервал времени «подготовки» генератора вдоха, то ясно, что необходимый дыхательный объем будет подан не полностью или не будет подан.

Из определения генератора вдоха постоянного потока следует, что он нуждается в отдельном распределительном устройстве, коммутирующем создаваемые генератором по­токи газа. Необходимость воздействия при этом на мало­инерционный поток газа позволяет осуществить переклю­чение фаз дыхательного цикла сравнительно простыми по конструкции электромеханическими, электронными или пневматическими реле времени. В генераторе вдоха пере­менного потока переключение фаз дыхательного цикла за­ложено в самом механизме генератора. Поэтому для изме­нения хотя бы частоты дыхания необходимо изменить его определенные механические или иные связи. Например, в аппаратах «Энгстрем» моделей 150, 200 и 300 с этой целью используется дорогостоящий и сложный в изготов­лении и эксплуатации вариатор, позволяющий при по­стоянных оборотах электродвигателя плавно регулировать частоту движения рабочих частей.

Сопоставление особенностей генераторов вдоха посто­янного и переменного потока позволяет считать, что гене­раторы вдоха переменного потока, в первую очередь с ме­ханическим приводом, целесообразно применять в сравни­тельно простых по функциональным характеристикам мо­делях. Большое разнообразие режимов ИВЛ, гибкость управления проще обеспечить, используя генератор вдоха постоянного потока.

Генераторы давления в отличие от рассмотренных выше генераторов постоянного и переменного потоков характери­зуются непосредственным, первичным влиянием не на скорость вдувания, а на создаваемое для этого внутри гене­ратора давление [Mushin et al., 1969]. Классическим при­мером генератора давления является мех, сжатие которого во время вдувания газа обеспечивается приложением усилия к подвижной крышке меха с помощью груза или пружин, притягивающих подвижную крышку к неподвижной. При надлежащем выборе размеров меха, конструкции и способа установки пружин давление внутри меха во вре­мя вдоха будет изменяться мало.

13. Функциональные характеристики генераторов давления (схема):

а — давление генератора намного превышает давление «во рту»; б — давление генератора слегка превышает давление «во рту»; в — к концу вдоха низкое давление генератора вдоха становится равным давлению «во рту»; Р — дав­ление, создаваемое генератором вдоха; V — объемная скорость вдувания; Р — давление «во рту»; V_Т — дыхательный объем.

Генератор давления принципиально другого типа вы­полняется в виде стабилизатора давления, который под­держивает постоянным давление источника вдувания, не­смотря на поступление газа из него в легкие и воздейст­вие других факторов. Функциональные кривые аппарата ИВЛ, создаваемые генератором давления, приведены на рис. 13.

Если создаваемое давление намного превышает давле­ние «во рту», пли, другими словами, разность Рг — Рр оста­ется значительной вплоть до переключения на выдох, то пропорциональная этой разности скорость вдувания меня­ется слабо, дыхательный объем нарастает почти с постоян­ной скоростью, после начального резкого подъема плавно нарастает и давление «во рту» (рис. 13,а). Если давление генератора лишь немного превышает давление «во рту» в конце вдоха (рис. 13,6), то разность Рг — Рр, как и пропорциональная ей скорость вдувания, в процессе вдоха значительно снижается, давление Рр и дыхательный объем нарастает все более медленно. Возможен, наконец, случай, когда в определенный момент вдоха давление «во рту» становится равным относительно низкому давлению источ­ника (рис. 13, б). В этот момент вдувание газа прекра­щается и в остальную часть вдоха в легких поддержива­ется постоянное давление и постоянный объем.

Во всех перечисленных случаях изменение характери­стик имеет экспоненциальный характер, т.е. пропорцио­нально e^-t/Rc или (1- e^-t/Rc), где С и R — растяжимость и сопротивление системы, образованной аппаратом и паци­ентом, а произведение RC — постоянная времени этой си­стемы; t — текущее значение времени вдоха; е — основа­ние натуральных логарифмов.

Соотношение между давлением, создаваемым генерато­ром, и давлением конца вдоха, деформация гофров мехов, кинематика передаточного механизма и другие факторы не позволяют однозначно описать свойства аппарата ИВЛ с генератором давления. Именно это обстоятельство учли Mushin и соавт. (1980), дополнив характеристики генера­тора давления описанием величины давления, а также сопротивления газопроводящей системы аппарата между собственно генератором вдоха и пациентом.

Первичной характеристикой генератора потока (рис.14) является скорость вдувания, определенным образом изме­няющаяся во время вдоха. Наиболее типичными предста­вителями генераторов потока являются генератор постоян­ного потока или генератор синусоидального потока. Для того чтобы генератор вдоха заслуживал наименования «ге­нератор потока», необходимо, чтобы создаваемая им ско­рость потока газа мало зависела от возрастающего к кон­цу вдоха давления в легких и других факторов.

У генератора потока создаваемые характеристики опре­деляются его устройством. В генераторе постоянного по­тока скорость вдувания постоянна, а объем и давление в легких линейно (т.е. с постоянной скоростью) возрастают. Когда скорость вдувания изменяется по закону синуса V=V₀Sin (омега)t, то для описания изменения объема и давления на выходе аппарата приходится также исполь­зовать тригонометрические функции:

где V₀ и V_{0 —} номинальные значения соответственно объемной скорости вдувания и дыхательного объема; С и R — растяжимость и сопротивление системы аппарат — па­циент.

14. Функциональные характеристики генераторов потока:

а — генератор постоянного потока; б — генератор синусоидального потока; V — объемная скорость вдувания; Рр — давление «во рту»; V_Т — дыхательный объ­ем; Т_I — время вдоха.

Другие факторы, влияющие на характери­стики генератора вдоха. Классификация генера­тора вдоха как генератора давления, генератора постоян­ного или переменного потока во многом облегчает пони­мание особенностей аппарата, однако еще недостаточна, чтобы охарактеризовать способность генератора вдоха под­держивать вентиляцию, несмотря на колебания нагрузки.

Для объяснения используем аналогию между пневматическими и электрическими цепями, в которой объем газа эквивалентен электри­ческому заряду, объемная скорость движения газа — электрическому току, давление газа — напряжению, растяжимость — емкости, а пнев­матическое сопротивление — электрическому сопротивлению. При­меняя обычные для электротехники условные обозначения, генератор вдоха, подключенный к пациенту, с некоторыми упрощениями можно изобразить так, как это сделано на рис. 15.

15. Эквивалентная схема аппарата ИВЛ:

а — вдох; б — выдох; Р_mах — максимальное давление генератора вдоха; R_в—внутреннее сопротивление генератора вдоха; Rp — регулятор скорости вдувания; Г — генератор вдоха; РУ — распределительное устройство; R_Е — сопротивление линии выдоха; R_у — сопротивление утечки; С_а — внутренняя растяжимость ап­парата; R_п ^— сопротивление дыхательных путей пациента; С_л — растяжимость легких пациента.

Эквивалентная электросхема полезна для облегчения понимания физических процессов, происходящих во время вдоха (или выдоха) в си­стеме аппарат — пациент, и позволяет использовать математические ме­тоды анализа переходных процессов в электрических цепях для ана­лиза пневматической системы. Практические результаты применения теоретического описания процесса приведены ниже.

Использование электрической аналогии приводит к выводу о том, что характеристиками, полностью и количественно раскрывающими свойства генератора вдоха, является максимальное давление, которое он может создать, и внутреннее сопротивление генератора — величина, отражающая степень снижения производительности генератора в зави­симости от нагрузки. Как же определить значения этих величин при анализе аппарата ИВЛ? Максимальное давление генератора вдоха определяется его типом и часто указывается в описании аппарата. Общепринятые характеристики аппаратов, однако, не включают данных о внутреннем сопротивлении генератора вдоха, и эту важную характеристику приходится определять экспериментально. Например, если при давлении конца вдоха, равном 1 кПа (10 см вод.ст.), была установлена минутная вентиляция 15 л/мнн, а без изменения настрой­ки аппарата давление конца вдоха увеличилось до 3 кПа (30 см вод.ст.), что снизило вентиляцию до 12 л/мин, то внутреннее сопротивление генератора вдоха будет равно:

Несколько более наглядно вместо внутреннего сопротивления генератора вдоха использовать обратную величину — жесткость генератора. Ее величина показывает, насколько снижается установленная скорость вдувания, когда давление конца вдоха увеличилось на 1 кПа (1 см вод. ст.). Например, жесткость генератора вдоха аппарата 1 л/(мин•кПа) может считаться приемлемым значением, поскольку означает, что при увеличении давления конца вдоха с 1 до 3 кПа (с 10 до 30 см вод.ст.) минутная вентиляция снизилась с 15 до 13 л/мин, т.е. всего на 13%.

Имеются и другие факторы, влияющие на способность генератора вдоха и аппарата в целом поддерживать за­данную минутную вентиляцию. Это, конечно, величина негерметичности и внутренняя растяжимость аппарата, ото­браженные на рис. 14 как сопротивление утечки Ry и ем­кость С_а.

Неполная герметичность дыхательного контура встреча­ется практически всегда. Наши измерения показали, что величина утечки прямо пропорциональна давлению. Это позволяет по известной или нормированной утечке из ды­хательного контура вычислить сопротивление утечки.

Например, утечка величиной 1 л/мии при давлении 3 кПа (30 см вод.ст.) эквивалентна сопротивлению утечки Ry 180 кПа•с/л. Сравнивая полученное типичное для современных аппаратов значение сопротивления утечки с сопротивлением дыхательных путей пациента, кПа•с которое может находиться у взрослых в пределах от 0,2 до 1,8 кПа•с/л, можно отметить малое влияние такой утечки на свойства аппарата.

Внутренняя растяжимость может быть определена как отношение объема газа, введенного в ту часть дыхательно­го контура аппарата ИВЛ, которая во время вдоха соеди­нена с дыхательными путями, к изменению давления в ней, вызванному введением этого объема газа. Так как эта растяжимость подключена параллельно растяжимости лег­ких пациента, то чем больше внутренняя растяжимость апппарата, тем большая часть создаваемого генератором вдо­ха потока газа бесполезно расходуется на ее вентиляцию. Внутренняя растяжимость определяется двумя факторами: эластичностью нежесткпх деталей (гофрированные шлан­ги, мешки, меха) и объемом тех жестких частей аппарата, которые во время вдоха соединены с дыхательными путями. Чтобы количественно оценить влияние внутренней рас­тяжимости аппарата на создаваемую минутную вентиля­цию и дыхательный объем, отметим, что, по данным Zietz (1981), внутренняя растяжимость некоторых аппаратов со­ставляет (л/кПа•с): «Энгстрем-300» с дыхательным контуром для взрослых 0,045; «Энгстрсм-2000» с увлажнителем 0,045; «Спиромат-650» с дыхательным контуром для детей 0,012; «Бирд марк 7» 0,022; «Сервовептилятор 900В» с увлажнителем 0,017.

По нашим данным, внутренняя растяжимость аппаратов РО-6 вместе с дыхательными гофрированными шлангами и встроенным увлажнителем составляет 0,05 л/кПа•с. Большую роль в создаваемой внутренней растяжимости аппарата играет растяжимость гофрированных шлангов. Так, растя­жимость гофрированного шланга длиной 1,0 м, выпускае­мого в СССР, составляет 0,015 л/кПа•с, в то время как дыхательный шланг таких же размеров с жесткими стенка­ми имеет растяжимость всего 0,0015 л/кПа•с.

Приведенные значения внутренней растяжимости аппа­ратов значительно меньше растяжимости легких и грудной клетки взрослого пациента, типовым значением которой считается 5 л/Па, поэтому внутренняя растяжимость уменьшает создаваемую аппаратом вентиляцию не более чем на 10%. Положение резко меняется, когда аппарат ИВЛ применяется у детей и новорожденных, у которых величи­на растяжимости легких снижается до 0,03 и даже до 0,01 л/кПа. Здесь, если не принять специальных мер, вентиляцня внутренней растяжимости может составить поло­вину величины, создаваемой аппаратом. Следует подчерк­нуть, что спирометры и волюметры, даже если они вклю­чены в линию выдоха, не могут дать достоверной информации. Действительный дыхательный объем можно измерить, подключая те же приборы к патрубку выдоха нерсвсрсиопиого клапана, включенного перед пациентом.

Внутренняя растяжимость и сопротивление аппарата проявляются еще одним образом — они сглаживают резкие колебания скорости вдувания.