Аппарат искусственной вентиляции легких

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппарату искусственной вентиляции легких, предназначенному для одновременной вентиляции до n пациентов. Аппарат включает неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами угловой величины γ_s с подсоединяемыми к ним n дыхательными трубками вдоха для каждого из n пациентов. Аппарат имеет выполненный с возможностью скольжения по его внутренней поверхности ротор, содержащий сжатую кислородно-воздушную смесь под избыточным давлением, снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной вентиляции соответственно, угловой величины γ_r=nδ/(1+1/α)-γ_s, где m - коэффициент мультипликации - любое натуральное число: m=1, 2, 3,…, δ - зависящая только от чисел m и n характеристика устройства: δ=2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции, δ=2π/n/(mn-1) - для обратной, α - отношение длительностей вдоха и выдоха. При этом частота вращения ротора составляет f=ν/(mn+1) для прямой вентиляции, когда направления вращения ротора и подачи кислородно-воздушной смеси совпадают и f=ν/(mn-1) - для обратной, когда эти направления противоположны, где ν - требуемая частота дыхания. Статор выполнен в виде компрессионной камеры-ресивера, сообщенной с нижним открытым торцом ротора. Верхний торец ротора закрыт несущей круговой пластиной - силовым элементом, передающим крутящий момент ротору от приводного вала, вращающегося с малой частотой f, по сравнению с частотой дыхания ν. Кислородно-воздушная смесь из ресивера может поступать в трубки вдоха только при взаимном перекрытии mn+1 или mn-1 окон ротора и n окон статора, эти окна статора на его наружной поверхности снабжены регулирующими высоту этих окон заслонками. Подсоединяемые к n окнам статора n дыхательные трубки вдоха, индивидуально предназначенные для n пациентов, на других концах снабжены нереверсивными клапанами, выполненными с возможностью осуществления выдоха пациентов в атмосферу. Техническим результатом является расширение функциональности, упрощение конструкции и повышение надежности устройства. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к механической вентиляции дыхательной системы больных в условиях нехватки имеющихся аппаратов ИВЛ при вспышках пандемий и других чрезвычайных ситуаций. Аппарат искусственной вентиляции легких (ИВЛ) - это очень дорогостоящее высокотехнологичное медицинское оборудование, предназначенное для принудительной подачи воздушной смеси, содержащей кислород, в легкие пациентов с целью насыщения крови кислородом и удаления из них углекислого газа /Царенко С.В. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007; Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986; Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С. Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978; Горячев А.С., Савин И.А. Основы ИВЛ. Руководство для врачей. Москва, 2019; Сатишур О.Е. Механическая вентиляция легких. Москва, 2006; Кассиль В.Л., Выжигина М.А., Лескин Г.С. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких Москва, 2004; Лебединский К.М., Мазурок В.А., Нефедов А.В. Основы респираторной поддержки. СПб, 2008; Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006; Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002; Papadakos P.J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology, 2008; Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition, 2006; Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill, 2013; MacIntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009; Chatbum R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition, 2004/.

Целью изобретения является создание очень недорогого простого надежного аппарата ИВЛ, работающего в режиме принудительного дыхания по времени, призванного восполнить внезапный недостаток штатного оборудования при катастрофических пандемиях, приводящих к массовой дыхательной недостаточности населения. Главной особенностью предлагаемого устройства является возможность одновременного подключения к одному аппарату ИВЛ сразу нескольких пациентов как без риска их перекрестного заражения, так и заражения самого аппарата.

Аппараты, позволяющие успешно проводить ИВЛ одновременно нескольким пациентам, экстренно были созданы в 2020 г. в Российской Федерации благодаря наличию бактерицидных фильтров, обеспечивающих 99,9% защиту от бактерий и вирусов /Электронный ресурс https://www.interfax.ru/russia/701318/. Перед госкорпорацией Ростех была поставлена задача рассмотреть возможность разработки опытных образцов одноразовых комплектов контуров вентиляции легких для двух, трех или четырех пациентов по аналогу зарубежных. Разработка представляет собой систему одноразовых дыхательных контуров, переходников и фильтров для вентиляции легких до четырех пациентов, исключающую перекрестное заражение между ними /Электронный ресурс https://tass.ru/ekonomika/8104865/.

Создание недорогих «многоместных» аппаратов ИВЛ - мера вынужденная, на случай «наихудшего сценария» массовой нехватки дорогостоящего оборудования, каким являются современные аппараты ИВЛ. Аппарат ИВЛ настраивается под объем легких, сопротивление дыхательных путей и податливость легких и грудной клетки. Разумеется, подключать к одному аппарату ИВЛ следует пациентов с примерно одинаковым объемом легких, руководствуясь принципом «не навреди». Для более тонкой настройки предусмотрены заслонки окон статора перед шлангом вдоха, выполняющие также функции заглушки дыхательного контура для его отключения при отсутствии пациента.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности является мультипликаторно-золотниковый аппарат ИВЛ, принятый за прототип /Свияженинов Е.Д. Мультипликаторно-золотниковый аппарат ИВЛ. Патент на изобретение РФ №2735759. Приоритет 12.05.2020/. Устройство по прототипу включает неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, через которые дыхательные контуры подводят кислородно-воздушную смесь к n пациентам. По внутренней поверхности статора медленно скользит равномерно вращающийся полый ротор, содержащий кислородно-воздушную смесь под требуемым для механической вентиляции легких избыточным давлением, снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной вентиляции соответственно, где m - коэффициент мультипликации - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …. Благодаря этому частота вращения ротора в mn+1 или mn-1 раз меньше требуемой частоты дыхания пациентов. Это абсолютно необходимо для подавления мощности сил трения скольжения ротора по внутренней поверхности статора и тепловыделения. Порции кислородно-воздушной смеси по n дыхательным контурам, расположенным по окружности аппарата ИВЛ, поступают к n пациентам. При варианте исполнения устройства с mn+1 окнами ротора последовательность работы дыхательных контуров статора совпадает с направлением вращения ротора - прямая вентиляция. При варианте устройства с mn-1 окнами ротора последовательность работы дыхательных контуров статора противоположна направлению вращения ротора - обратная вентиляция. Вращающийся золотник выполняет функции скользящих клапанов - наиболее простое, надежное и недорогое устройство. В отличие от возвратно-поступательных движений, традиционно используемых в золотниковых устройствах, равномерное вращение полностью лишено их недостатков: возникновения инерционных сил и зон залипания золотника в окрестности его нулевых скоростей.

В прототипе оба клапана дыхательного контура - вдоха и выдоха, - активны, поскольку управляются вращающимся ротора. Поэтому дыхательные трубки выдоха подводятся к атмосферной секции аппарата ИВЛ, нагружая бактерицидные фильтры во избежание риска заражения аппарата. В предлагаемом устройстве такая проблема полностью решена.

Указанная проблема решается тем, что клапаны вдоха - активны, а выдоха - пассивны: дыхательные трубки вдоха снабжены нереверсивными клапанами. При вдохе порции кислородно-воздушной смеси из аппарата ИВЛ через трубки вдоха поступают в дыхательные пути пациентов, а выдох из нереверсивных клапанов сразу уходит в атмосферу, на удалении от аппарата ИВЛ, с заданными частотой и соотношением длительностей вдоха-выдоха. Таким образом, смесь выдоха назад в шланг не поступает - "реверса" нет. Отпадает необходимость в шланге выдоха дыхательного контура, который в этом варианте становится одношланговым, с коробкой нереверсивного клапана на конце. Пациент может сделать самостоятельный вдох из атмосферы через отверстие выдоха нереверсивного клапана. В состав клапанной коробки входит предохранительный клапан, который открывается при выбранном пороговом давлении (например, 50 см.вод.ст., во избежание баротравмы пациента) и "сбрасывает" избыточное давление в атмосферу. К отверстию выдоха клапанной коробки может быть присоединен клапан ПДКВ (положительного давления конца выдоха). Помимо расширения функциональности упрощается конструкция устройства, повышается его надежность и снижается стоимость.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез аппарата ИВЛ, на фиг. 2 - поперечные разрезы по сечению А-А аппарата ИВЛ для четырех пациентов, n=4, для последовательных коэффициентов мультипликации m=1, 2, 3, …, для прямой вентиляции, на фиг. 3 - поперечные разрезы по сечению А-А аппарата ИВЛ для шести пациентов, n=6, для последовательных коэффициентов мультипликации m=1, 2, 3, …, для обратной вентиляции, на фиг. 4 - временные развертки площади перекрытия S четырех окон статора, n=4, соединяющихся с 4 трубками вдоха, и окон ротора, выполняющих функцию скользящих клапанов, на фиг. 5 - временные развертки в том же масштабе времени давлений Р в дыхательных путях четырех пациентов, n=4, для выбранного в качестве примера соотношения длительностей вдоха-выдоха 1:3.

Схема аппарата ИВЛ

Аппарат искусственной вентиляции легких (фиг. 1) состоит из ротора 1, боковая поверхность которого снабжена равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 окнами 2 для прямой (фиг. 2) или обратной (фиг. 3) вентиляции соответственно, где m - мультипликаторный коэффициент - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …, n - число дыхательных контуров, отходящих от аппарата ИВЛ к n пациентам и равномерно расположенных по его периметру. Ротор 1 вращается внутри статора 3, боковая поверхность которого снабжена n равномерно распределенными по окружности окнами 4 угловой величины γ, с подсоединяемыми к ним n дыхательными контурами. Окна статора на его наружной поверхности снабжены регулирующими высоту этих окон перемещающимися в осевом направлении заслонками 5, вплоть до полной заглушки окон для отключения каких-либо дыхательных контуров при отсутствии некоторых из n пациентов. Каждый дыхательный контур состоит из трубки, или шланга, вдоха 6 и нереверсивного клапана 7.

Таким образом, n трубок вдоха 6 одними концами соединены с соответствующими n окнами статора 4, а другими - с n нереверсивными клапанами 7, обеспечивающими n пациентов кислородно-воздушной смесью через патрубки пациента 8 посредством интубационных трубок при инвазивной ИВЛ и лицевых масок - при неинвазивной.

Нереверсивный клапан 7, или клапанная коробка, предназначен для направления по разным каналам вдыхаемого и выдыхаемого потоков воздуха и работает следующим образом /Царенко С.В. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007; Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986; Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С. Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978/. При искусственном вдохе кислородно-воздушная смесь под давлением через шланг 6 и клапанную коробку 7 из патрубка 8 поступает в дыхательные пути пациента. При искусственном выдохе повышенное давление перед клапанной коробкой 7 исчезает, и отработанный воздух из дыхательных путей пациента через выходной патрубок 9 нереверсивного клапана 6 уходит в атмосферу. Таким образом, смесь выдоха назад в шланг вдоха 6 не поступает - "реверса" нет. Пациент может сделать самостоятельный вдох из атмосферы через патрубок выдоха 9. В состав клапанной коробки 7 входит предохранительный клапан, который открывается при определенном пороговом давлении и "сбрасывает" превышенное давление в атмосферу. К отверстию выдоха клапанной коробки 9 может быть присоединен клапан положительного давления конца выдоха.

В осевом направлении (фиг. 1) ротор 1 представляет собой полый вращающийся барабан. Одна торцевая поверхность ротора снабжена несущей круговой пластиной 10 - силовым элементом, передающим крутящий момент ротору 1 от приводного вала 11, вращающегося с малой частотой f, по сравнению с частотой дыхания ν. Другой торец ротора открыт. Этим открытым торцом полый ротор сообщается с компрессионной камерой-ресивером 12, - накопительной емкостью сжатой кислородно-воздушной смеси, предназначенной для принудительной подачи пациентам. Компрессионная камера-ресивер выполняется достаточно емкой для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей кислородно-воздушной смеси и прерывистым расходом ее. Боковая наружная поверхность ротора медленно скользит по внутренней поверхности статора с малым трением. Окна ротора 2 периодически перекрывают окна статора 4, обеспечивая доступ кислородно-воздушной смеси в шланги вдоха 6 под требуемым давлением, которая и поступает далее в нереверсивный клапан 7 и через патрубок пациента 8 - в его дыхательные пути. Отработанный воздух, содержащий углекислый газ, выводится через патрубок выдоха 9.

Пусть требуется создать частоту дыхания v с соотношением длительностей вдоха и выдоха α=a/b.

Тогда частота вращения ротора должна составлять f=ν/(mn+1) или f=ν/(mn-1) - для соответствующего числа окон mn+1 или mn-1 на его боковой поверхности. В первом случае последовательность работы дыхательных контуров совпадает с направлением вращения ротора - прямая вентиляция, а во втором - противоположно ему, - обратная вентиляция. Окна ротора должны быть угловой величины γ_r=nδ/(1+1/α)-γ_s, где α - соотношение вдоха и выдоха, а γ_s, как указано выше, - угловая величина окон статора.

Принцип работы аппарата ИВЛ

Принцип работы аппарата ИВЛ заключается в том, что медленно вращающийся ротор быстро последовательно включает (период вдоха) и выключает (период выдоха) подачу кислородно-воздушной смеси к каждому пациенту. Применены полуоткрытые одношланговые дыхательные контуры: одним концом дыхательные трубки подключаются к источнику кислородно-воздушной смеси, другим - к нереверсивному клапану. На период вдоха скользящие клапаны ротора открывают шлангу доступ к компрессионной камере-ресиверу, и кислородно-воздушная смесь через этот шланг поступает в дыхательные пути пациента, на период выдоха - закрывают, и отработанная воздушная смесь из выходного отверстия нереверсивного клапана уходит в атмосферу, т.е. смесь выдоха назад в шланг не поступает.

Для пояснения принципа работы скользящих клапанов вращающегося золотника и анализа переключений вдоха-выдоха служат фиг. 2 - для прямой вентиляции и фиг. 3 - для обратной. На фиг. 4, 5 изображены временные развертки площади открытия окон статора S и результирующих давлений в дыхательных путях пациентов Р для соотношения длительностей вдоха-выдоха α=а/b=1/3. Здесь для определенности показан режим прямой вентиляции для аппарата ИВЛ, рассчитанного на четырех пациентов, т.е. с 4 дыхательными контурами, n=4. Обратная вентиляция и/или другое число контуров работают совершенно аналогично.

Направление вращения ротора 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f (фиг. 2, 3). Далее f будет обозначать также частоту вращения ротора 1. Угловая частота вращения ротора 1 обозначена через ω и составляет ω=2πf.

Передние края окон ротора 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися лучами r_i (сплошные линии), а передние края окон статора 4 - неподвижными лучами s_j (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам окон ротора 2 и окон статора 4.

Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из фиг. 2, 3 состоит в том, что:

1. Последовательные углы между лучами r_i, s_i, i=2, 3, 4… составляют (i-1)δ, т.е. образуют натуральную последовательность (1, 2, 3, …)δ.

2. Вращающееся устройство имеет осевую симметрию mn+1 или mn-1 порядка, т.е. при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой.

Именно эти два обстоятельства эффективно обеспечивают полный цикл равномерной последовательной работы всех n дыхательных контуров не за полный период вращения ротора-золотника 1, а только за mn+1 или mn-1 его часть.

Работает устройство следующим образом. Кислородно-воздушная смесь из компрессионной камеры- ресивера 12 может поступать в трубки вдоха 6 только при взаимном перекрытии окон ротора 2 и статора 4 - назовем это открыванием, или включением, окон статора. В противном случае окна статора закрыты, или выключены. При вращении ротора 1 поочередно открываются (включаются) и закрываются (выключаются) окна статора, регулируя фазы вдоха (фиг. 2, 3). Временные развертки для площади открытия окон статора S, соединяющихся с трубками вдоха, и давлений Р в дыхательных путях пациентов для соотношений циклов вдоха-выдоха α=а/b=1/3 изображены на фиг. 4, 5 соответственно.

Пусть в начальный момент времени включается I окно статора (фиг. 2). Кислородно-воздушная смесь под действием градиента давления начинает поступать из компрессионной камеры- ресивера 12 через трубку вдоха 6 и клапанную коробку 7 на патрубок пациента 8 и далее - в его дыхательные пути. Переменная во времени площадь S открывающегося окна статора как функция времени представляет собой трапецию, изображенную на фиг. 4. Когда окно статора выключается, кислородно-воздушная смесь в трубку вдоха 6 не поступает, и начинается фаза выдоха. Отработанный воздух под действием перепада давления из дыхательных путей пациента через патрубок 8 и патрубок выдоха 9 нереверсивного клапана 7 выходит в атмосферу.

Такому временному закону площади открытия окон статора (фиг. 4) отвечает вполне определенная временная развертка давления в дыхательных путях пациента Р, в том же масштабе времени представленная на фиг. 5. Это - быстрый рост положительного избыточного давления, замедляющийся в процессе наполнения легких, сменяющийся падением давления после начала выдоха. Для каждого дыхательного контура, например, первого, помеченного на фиг. 4, 5 римской цифрой I, фаза вдоха начинается с нулевого момента времени и заканчивается моментом безразмерного времени (ω/δ)t=1. Далее с момента времени (ω/δ)t=1 до (ω/δ)t=4 длится фаза выдоха. Процесс периодичен и повторяется с периодом (ω/δ)Т=4. Работа каждого следующего дыхательного контура отстает по фазе на (ω/δ)t=1 от предыдущего. Временные развертки площади открытия окон статора S давлений Р сразу для всех n дыхательных контуров, n=4, от I до IV, изображены на фиг. 4, 5 соответственно.

При работе аппарата ИВЛ переключение с вдоха на выдох дыхательного контура каждого пациента происходит при повороте ротора на угол γ=γ_r+γ_s. Вдох каждого следующего пациента относительно предыдущего начинается при повороте ротора на угол при прямой вентиляции в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора, или на угол при обратной вентиляции в направлении, противоположном направлению вращения ротора. Физический смысл угла δ следующий: при γ=δ реализуется непрерывный режим работы аппарата ИВЛ, в котором периоды вдоха соседних контуров не перекрываются, а непрерывно следуют друг за другом: в момент окончания периода вдоха какого-либо контура начинается период вдоха соседнего дыхательного контура. Количественные соотношения, характеризующие непрерывный режим, будут приведены ниже.

Соответствующие временные развертки для других соотношений длительностей вдоха-выдоха, отличных от 1/3, могут быть построены аналогично.

Технические характеристики аппарата ИВЛ. Сводка основных формул

Главными характеристиками аппаратов ИВЛ являются частота дыхания ν и соотношение длительностей вдоха-выдоха α=a/b на каждом дыхательном контуре. Отметим, что отношение длительностей вдоха-выдоха а/b в англоязычной литературе традиционно обозначается через i/e (от англ. "inspiration, inhalation" - вдох, "expiration, exhalation " - выдох).

Частота дыхания v определяется исключительно частотой вращения f ротора:

ν=(mn+1)f - для прямой вентиляции и

ν=(mn-1)f - для обратной.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха α=a/b определяется конструктивным углом γ, универсальным, зависящим только от чисел m, n, но не от параметров конструкции, углом δ и числом окон статора n, равным числу дыхательных контуров аппарата ИВЛ:

α=а/b=γ/(nδ-γ),

1/α=b/a=n δ/γ-1,

где γ=γ_r+γ_s - суммарная угловая величина окон ротора и статора,

δ=2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции,

δ=2π/n/(mn-1) - для обратной,

откуда следует формула для выбора конструктивного угла γ=γ_r+γ_s:

γ=nδ/(1+1/δ).

Время замкнутого состояния τ (время перекрытия окон ротора и статора) составляет:

τ=1/(1+1/α)/ν=(γ/δ)/(nν).

Для частного случая непрерывной γ=δ вентиляции имеем:

τ=1/(nν).

Пример расчета аппарата ИВЛ

Итак, основными характеристиками аппаратов ИВЛ являются частота дыхания v и соотношение длительностей вдоха-выдоха α=а/b на каждом дыхательном контуре пациента.

Частота дыхания ν определяется частотой вращения f ротора, которая допускает простое изменение в рабочем режиме:

ν=(mn+1)f - для прямой вентиляции и

ν=(mn-1)f - для обратной.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха α=а/b определяется конструктивным углом γ, универсальным, то есть не зависящим от конструктивных углов, но зависящим только лишь от чисел m, n углом δ и числом дыхательных контуров статора n:

где γ=γ_r+γ_s - суммарная угловая величина окон ротора и статора,

δ=2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции,

δ=2π/n/(mn-1) - для обратной.

Пример расчета режима прямой вентиляции, когда последовательность работы дыхательных контуров совпадает с направлением вращения ротора.

В качестве первого примера рассчитаем схему прямой вентиляции для 4-контурного статора, n=4, посредством mn+1-оконного ротора, для последовательных значений коэффициента мультипликации m=1, 2, 3 (фиг. 2). Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров составляет 20 тактов в минуту, или ν=.33 Гц, т.е. период дыхания - 3 с. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора составят:

Пример расчета режима обратной вентиляции, когда последовательность работы дыхательных контуров противоположна направлению вращения ротора.

В качестве второго примера рассчитаем схему обратной вентиляции для 6-контурного статора, n=6, посредством mn-1-оконного ротора, для последовательных значений мультипликаторного коэффициента m=1, 2, 3 (фиг. 3). Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров статора по-прежнему составляет 20 циклов в минуту, или ν=.33 Гц, период дыхания - 3 с. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора составят:

Общий вывод. Учитывая, что для однооконного ротора период вращения составлял бы 3 с, видим, что для мультипликаторного ротора период вращения увеличивается на порядок и более. Таким образом, наглядно виден эффект мультипликации частоты дыхания, проявляющийся в mn+1 или mn-1-кратном снижении требуемых частот вращения многооконного ротора. Это обусловлено тем, что все время вращения многооконного ротора эффективно расходуется на совершение главной его функции - последовательной подачи кислородно-воздушной смеси на окна статора для пациентов, а непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота его единственного окна к окнам статора полностью исключено.

Отметим, что вышеприведенные таблицы для 4-оконного статора при прямой вентиляции и 6-оконного при обратной - весьма похожи. Это подтверждает, что и прямая mn+1, и обратная mn-1 вентиляция, где n - число дыхательных контуров, равное числу окон статора, m=1, 2, 3, … - коэффициент мультипликации, mn+1 и mn-1 - числа окон ротора, обладают одинаковой эффективностью. Поэтому по всему тексту они и упоминаются параллельно.

Когда n мало, например, 4, как в первом примере, выгоднее использовать прямую вентиляцию, когда же п велико, например, 6, как во втором примере, - обратную, потому что конструктивно ширина окон ротора при этом получается приблизительно одна и та же.

Главное, что увеличением коэффициента мультипликации m можно неограниченно снижать скорости скольжения ротора по внутренней поверхности статора, чтобы подавить мощность сил трения и тепловыделение, из-за которых до сих пор вращательные золотники малоупотребительны в машиностроении по сравнению с возвратно-поступательными, несмотря на их большую простоту, надежность, экономичность, отсутствие инерционных нагрузок и зон залипания ротора в окрестностях их нулевых скоростей.

Так работает мультипликаторный принцип, означающий, что малая частота вращения ротора дает высокую частоту вращения волны реакции статора. Дополнительным «бонусом» является возможность изменения направления волны статора на противоположное направлению вращения ротора при обратной вентиляции.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха α=а/b:

где γ=γ_r+γ_s - суммарная угловая величина окон ротора и статора, δ=2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции, δ - 2π/n/(mn-1) - для обратной, определяется выбором конструктивного угла γ:

Пусть α=a/b=1. Тогда γ=nδ/2. При n=4 γ=25, а при n=6-γ=3δ.

С увеличением требуемого отношения длительностей вдоха-выдоха α=а/b конструктивный угол γ=γ_r+γ_s растет, ограничиваясь верхним пределом γ=nδ=4δ. С уменьшением отношения длительностей вдоха-выдоха α=а/b значения конструктивного угла γ=γ_r+γ_s снижаются.

Для непрерывной вентиляции γ=δ, когда периоды вдохов соседних контуров не перекрываются, а непрерывно следуют друг за другом, а именно этот случай и представлен на фиг. 6, справедливо соотношение:

При этом для n-контурных аппаратов ИВЛ, обслуживающих одновременно сразу n пациентов, n=2, 3, 4,… непрерывная вентиляция дает весьма важные примечательные для практики значения отношений длительностей вдоха-выдоха α=a/b: α=1, 1/2, 1/3,…

Выводы. Технический результат

1. Предложен недорогой простой надежный аппарат ИВЛ, предназначенный для одновременного подключения сразу нескольких пациентов, как без риска их перекрестного заражения, так и заражения самого аппарата.

2. Устройство может быть актуальным при катастрофических пандемиях, приводящих к массовой дыхательной недостаточности населения, чтобы восполнить внезапный недостаток весьма дорогостоящего штатного оборудования.

3. Благодаря мультипликаторному эффекту распределение кислородно-воздушной смеси осуществляется наиболее простыми и надежными медленно вращающимися скользящими клапанными золотниками, обеспечивающими требуемые частоты дыхания. При низких скоростях вращения роторов подавляется мощность сил трения и тепловыделение, что и обуславливает функциональность устройства. Достигнут оптимальный режим аппарата ИВЛ с вращающимся многооконным ротором внутри многооконного статора по критерию обслуживания одновременно сразу нескольких пациентов.

4. Варьирование частоты дыхания осуществляется путем простого изменения частоты вращения ротора. Отношения длительностей вдоха и выдоха определяются выбором суммарной угловой величины окон ротора и статора.

5. Мультипликаторное вращающееся устройство особенно эффективно для реализации высокочастотной ИВЛ, когда другие средства затруднительны.

Использованная литература

1. Царенко СВ. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007.

2. Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986.

3. Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978.

4. Горячев А.С, Савин И.А. Основы ИВЛ. Руководство для врачей. Москва, 2019.

5. Сатишур О.Е. Механическая вентиляция легких. Москва, 2006.

6. Кассиль В.Л., Выжигина М.А., Лескин Г.С. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких. Москва, 2004.

7. Лебединский К.М., Мазурок В.А., Нефедов А.В. Основы респираторной поддержки. СПб, 2008.

8. Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006.

9. Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002.

10. Papadakos P.J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology. 2008.

11. Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition, 2006.

12. Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill, 2013.

13. MacIntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009.

14. Chatburn R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition, 2004.

15. Электронный ресурс https://www.interfax.ru/russia/701318.

16. Электронный ресурс https://tass.ru/ekonomika/8104865.

17. Свияженинов Е.Д. Мультипликаторно-золотниковый аппарат ИВЛ. Патент на изобретение РФ №2735759. Приоритет 12.05.2020 (прототип).

1. Аппарат искусственной вентиляции легких, предназначенный для одновременной вентиляции до n пациентов, включающий неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами угловой величины γ_s с подсоединяемыми к ним n дыхательными трубками вдоха для каждого из n пациентов, и выполненный с возможностью скольжения по его внутренней поверхности ротор, содержащий сжатую кислородно-воздушную смесь под избыточным давлением, снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной вентиляции соответственно, угловой величины γ_r=nδ/(1+1/α)-γ_s, где m - коэффициент мультипликации - любое натуральное число: m=1, 2, 3,…, δ - зависящая только от чисел m и n характеристика устройства: δ=2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции, δ=2π/n/(mn-1) - для обратной, α - отношение длительностей вдоха и выдоха, при этом частота вращения ротора составляет f=ν/(mn+1) для прямой вентиляции, когда направления вращения ротора и подачи кислородно-воздушной смеси совпадают и f=ν/(mn-1) - для обратной, когда эти направления противоположны, где ν - требуемая частота дыхания, отличающийся тем, что статор выполнен в виде компрессионной камеры-ресивера, сообщенной с нижним открытым торцом ротора, тогда как верхний торец ротора закрыт несущей круговой пластиной - силовым элементом, передающим крутящий момент ротору от приводного вала, вращающегося с малой частотой f, по сравнению с частотой дыхания ν, кислородно-воздушная смесь из ресивера может поступать в трубки вдоха только при взаимном перекрытии mn+1 или mn-1 окон ротора и n окон статора, эти окна статора на его наружной поверхности снабжены регулирующими высоту этих окон заслонками, а подсоединяемые к n окнам статора n дыхательные трубки вдоха, индивидуально предназначенные для n пациентов, на других концах снабжены нереверсивными клапанами, выполненными с возможностью осуществления выдоха пациентов в атмосферу.

2. Аппарат искусственной вентиляции легких по п. 1, отличающийся тем, что регулирующие высоту окон статора заслонки выполнены с возможностью полной заглушки в случаях неиспользования каких-либо из n окон статора и соответствующих им дыхательных трубок по причине вентиляции числа пациентов, меньшего n.