Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов и средств искусственной вентиляции легких. подход к построению биоадаптивной системы респираторной поддержки 12
1.1. Методы механического восстановления нарушенной дыхательной деятельности и анализ их воздействия на пациента 12
1.2. Способы вспомогательной искусственной вентиляции легких 17
1.3. Аппараты искусственной вентиляции легких 21
1.4. Постановка задач исследования 25
1.5. Система «пациент-аппарат ИВЛ», способы измерения параметров и управления 26
1.5.1. Пациент и механика дыхания 26
1.5.2. Выбор основного метода переключения. Принципы измерения разности давления 33
1.5.3. Аппарат ИВЛ и его основные элементы как объект управления... 36
1.5.4. Структура системы неинвазивной респираторной поддержки, ее
основные компоненты 38
Выводы по главе 41
2. Математическая модель цифровой обработки сигнала при регистрации начала вдоха в биоадаптивной системе 43
2.1. Основные ошибки, возникающие при обнаружении начала инспираторной активности 43
2.2. Теория статистических решений в задаче регистрации дыхания 44
2.3. Метод последовательного анализа и его возможности по оценке начала вдоха 48
2.4. Проверка гипотезы о законе распределения на основе экспериментальных данных 53
2.5. Численные результаты математического моделирования обработки сигнала при регистрации начала инспираторной активности 57
2.6. Методика построения системы регистрации начала вдоха при 60
респираторной поддержке.
Выводы по главе 63
Синтез биоадаптивной системы респираторной поддержки по текущим измеряемым параметрам пациента и методика диагностирования состояния легочной системы 65
3.1. Методика предварительной обработки скоростного потока от времени придыхании пациента 65
3.2. Выбор рационального параметра адаптации 74
3.3. Построение структуры и алгоритма адаптации к дыханию пациента на основе экстраполяционного прогнозирования 79
3.4 Математическое описание процессов в легких при воздействии аппаратом ИВЛ 85
3.5. Цифровая обработка сигналов биосистемы «аппарат-пациент» 91
3.5.1. Методика и параметры обработки сигнала для получения достоверного спектра 91
3.5.2. Принцип накопления для выделения колебаний легочных мембран 96
3.6.Численные результаты моделирования реакции легких человека при воздействии аппаратом ИВЛ 97
Выводы по главе 99
Техническая реализация биоадаптивной системы респираторной поддержки и экспериментально- клинические исследования пациентов различными заболеваниями легочной системы 101
4.1. Аппаратно-программный комплекс для анализа работы системы «пациент-аппарат ИВЛ» 101
4.2. Результаты клинико-экспериментальных исследований пациентов с заболеваниями легких при работе биоадаптивной системы респираторной поддержки 107
4.2.1. Пациент с выраженной эмфиземой легких средней тяжести (мужчина, 60 лет) 108
4.2.2. Пациенте бронхиальной астмой (мужчина, 25 лет) 112
4.2.3. Пациент с хроническим бронхитом 113
4.2.4. Оценка работы биоадаптивной системы респираторной поддержки у здоровых людей 115
4.2.5. Спектральные характеристики дыхания у пациентов с патологиями легких и здоровых людей 117
Выводы по главе 118
Заключение 119
Список использованных источников 121
- Способы вспомогательной искусственной вентиляции легких
- Теория статистических решений в задаче регистрации дыхания
- Выбор рационального параметра адаптации
- Результаты клинико-экспериментальных исследований пациентов с заболеваниями легких при работе биоадаптивной системы респираторной поддержки
Введение к работе
Актуальность темы.
Медикаментозная терапия в комбинации с оксигенотерапией зачастую оказывается малоэффективной при лечении дыхательной недостаточности. Включение в комплекс лечебных мероприятий методов механической респираторной поддержки, реализуемых с помощью аппаратов искусственной вентиляции легких (ИВЛ), способно значительно повысить эффективность проводимой комплексной терапии. Респираторное протезирование признано необходимым условием ведения больных с острой и хронической дыхательной недостаточностью.
В клинической практике ИВЛ используется с 1929 года. Основным показанием к ее применению является вентиляционная недостаточность и чрезмерно высокая работа дыхания. В развитие ИВЛ как направления медицинской техники значительный вклад внесли российские ученые -Сметнев А.С., Юревич В.М., Гальперин Ю.С., Кассиль В.Л., Хадарцев А.А. О перспективности этого направления ярко свидетельствуют высокие темпы разработок и выпуска аппаратов ИВЛ зарубежными фирмами, среди которых следует выделить Drager, Puritan-Bennett, Siemens, Engstrom, Bird, Bear, Hamilton. К аппаратам отечественного производства относятся «Спирон », «Фаза», «РО-6» и другие.
При проведении управляемой ИВЛ аппарат выполняет протезирующую роль, т.е. полностью замещает дыхательную функцию пациента. Показано, что длительная принудительная вентиляция приводит к уменьшению растяжимости легких, декомпенсации сердечной деятельности, повышению внутриальвеолярного и внутригрудного давления и атрофии дыхательной мускулатуры. Данная процедура часто вызывает осложнения.
Поэтому более перспективными являются методики респираторной поддержки, при которых аппаратное дыхание улучшает газообмен, сохранив и дополнив собственные респираторные возможности больного. Однако,
б
^ осуществление вентиляционной поддержки и возрастание роли
самостоятельного дыхания приводят к более сложным алгоритмам регистрации, обработки и управления вентиляционным процессом. Неправильная регулировка чувствительности триггерных устройств, фиксированная установка порога, не учитывающая ряд меняющихся факторов, приводит к десинхронизации и негативному воздействию аппаратного дыхания на пациента. Обнаружение начала инспираторной активности становится одной из актуальных задач при проектировании аппаратуры ИВЛ.
В существующих моделях реализованы системы со слабой адаптацией к собственному дыханию пациента, что приводит к неравномерности вентиляции, высокой вероятности возникновения отека и баротравмы. Аппараты не предусматривают слежения за изменением функции внешнего дыхания, а, следовательно, выбор адекватного физиологического режима вентиляции полностью определяется опытом и интуицией врача, что требует длительной специализированной подготовки.
С развитием электроники и микропроцессорной техники стало возможным усовершенствование существующих аппаратов ИВЛ в fK направлении создания биоадаптивной системы управления с автоматической корректировкой режима вентиляции на основе постоянного анализа некоторых параметров дыхательной системы пациента. Это позволяет значительно расширить область применения аппаратов ИВЛ в пульмонологии, анестезиологии и реаниматологии.
Объектом исследования диссертации является система «пациент -аппарат ИВЛ».
Целью исследования является повышение эффективности воздействия аппаратуры искусственной вентиляции легких посредством создания биоадаптивной системы респираторной поддержки с высокой степенью синхронизации с дыханием пациента.
^ Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих
задач, составляющих основные этапы исследования:
анализ существующих методов и средств ИВЛ;
синтез структуры системы респираторной поддержки и процесса взаимодействия аппарата и пациента;
разработка на базе статистических экспериментальных исследований математического описания процесса регистрации начала дыхания;
- разработка методики предварительной обработки исходной
^ функциональной зависимости воздушного потока и адаптации
аппарата ИВЛ к дыханию пациента по текущим измеряемым параметрам;
разработка методики диагностирования состояния легких при воздействии аппарата ИВЛ;
создание макетного образца на основе разработанных алгоритмов и математических моделей и проведение клинических испытаний на пациентах с различными заболеваниями легочной системы.
Методы исследования. В работе использовались методы теории статистических решений, теории вероятности и математической статистики, & теории аппроксимации, теории колебаний и математической физики. Проведено математическое и имитационное моделирование сигналов, алгоритмов преобразований, измерительных ситуаций с помощью математического пакета прикладных программ Mathcad 2001.
Научная новизна состоит в разработке подхода к проектированию биоадаптивной системы синхронизации потока подаваемого воздуха с дыханием пациента при респираторной поддержке, а именно:
- разработана система регистрации начала инспираторной активности с
построением математической модели обработки сигнала при
выделении начала вдоха на базе теории статистических решений с
(— учетом параметров распределения шума;
v# - получена методика предварительной обработки измеряемой
характеристики скоростного потока с фильтрацией аномальных выбросов и обоснованием рациональных параметров сглаживания;
разработана структура и алгоритм блока адаптивного управления аппаратом ИВЛ к изменяющемуся дыханию пациента на основе экстраполяционного прогнозирования;
разработана методика диагностирования состояния пациента при проведении активной идентификации аппаратом ИВЛ с генератором
- вдоха постоянного потока в процессе респираторной поддержки.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные методики регистрации начала дыхания, адаптации по текущим измеряемым параметрам дают возможность построить систему, обеспечивающую качественную респираторную поддержку пациента. Разработанный образец позволит значительно повысить эффективность проводимого комплексного лечения пациентов с хроническими обструктивными заболеваниями легких и обеспечит экономию затрат на покупку новых аппаратов ИВЛ.
Реализация результатов работы. Результаты работы в виде аппаратно-программного комплекса реализованы и $ внедрены в Тульскую областную больницу, отделение пульмонологии, также в учебный процесс Тульского государственного университета при выполнении курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ различного уровня по направлению 553400 «Биомедицинская инженерия» и специальностям 190500 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике»
Обоснованность научных положений и достоверность результатов подтверждаются согласованностью результатов теоретических исследований с данными, полученными при моделировании работы системы на ПЭВМ и при проведении экспериментальных исследований с использованием аппаратно-программного комплекса биоадаптивной системы.
На защиту выносится:
структура процесса взаимодействия «пациент-аппарат ИВЛ», обеспечивающая качественное измерение и управление аппаратом ИВЛ.
математическая модель обработки сигнала при регистрации начала вдоха, позволяющая более точно оценить начало дыхания и уменьшить время задержки срабатывания клапанов аппарата ИВЛ.
методика обработки функциональной зависимости скоростного потока от времени, обеспечивающая минимальное запаздывание и искажение входных данных.
алгоритм адаптации по текущим параметрам пациента, позволяющий уже в измеряемом дыхательном периоде оптимизировать воздействие аппаратом ИВЛ.
методика диагностирования состояния легочной системы пациента в процессе проведения респираторной поддержки, позволяющая оценить изменение характеристик и предупредить возникновение отрицательных последствий.
алгоритм и параметры цифровой обработки сигнала для получения достоверного спектра при оценке результатов активной идентификации.
техническая реализация биоадаптивной системы респираторной поддержки в виде аппаратно-программного комплекса.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях и семинарах: 1. Международная научно-практическая конференция: интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы (г.Новочеркасск, 2000г.). 2. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов: Биотехнические, медицинские и экологические системы и
Цк комплексы - Биомедсистемы - 2001 (г.Рязань, 2001г., работа удостоена
диплома). 3. XV Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях». (г.Тамбов, 2002г.) 4. XXVII Гагаринские чтения. Международная молодежная научная конференция. (г.Москва, 2002г.). 5. XIX научная сессия, посвященная дню радио и 75-летию завода «Октава» (г.Тула, 2002 г.). 6. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов: Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы - Биомедсистемы - 2002 (г.Рязань, 2002г., работа удостоена диплома) 7. XVI Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», (г.Санкт-Петербург, 2003г.) 8. Ежегодные научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г.Тула, 2001-2003г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 9 статей, 4 тезиса доклада на конференции.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из ПО наименований и приложения. Работа изложена на 120 страницах, содержит 57 рисунков, 8 таблиц, приложение
^ на 10 страницах.
В первой главе проведен анализ существующих методов и средств в области аппаратуры ИВЛ, рассмотрены методы механического восстановления нарушенной дыхательной деятельности, среди которых можно выделить дыхательные тренажеры, управляемую и вспомогательную ИВЛ. Рассмотрены основные проблемы, возникающие при проведении респираторной поддержки. В результате осуществлено построение обобщенной структурной и функциональной схемы измерения и управления процессом взаимодействия «аппарат-пациент».
Во второй главе построена система регистрации начала дыхания на основе математической модели обработки сигнала, приведены результаты
11 моделирования и экспериментального исследования закона распределения шума.
В третьей главе построена методика предварительной обработки информации с помощью сглаживающих сплайнов и получена методика и структура блока адаптивного управления аппаратом ИВЛ к изменяющимся характеристикам пациента. Рассмотрены вопросы длительного диагностирования состояния человека по анализу его спектральных характеристик при проведении респираторной поддержки. Получено математическое описание процессов в легких при воздействии аппаратом ИВЛ. Разработана методика цифровой обработки сигналов биосистемы «пациент-аппарат».
В четвертой главе приводятся структура разработанного аппаратно-программного комплекса, реализующая систему эффективной респираторной поддержки, и результаты экспериментальных исследований пациентов с различными заболеваниями легочной системы, проведенные в пульмонологическом отделении Тульской областной больницы.
В приложении 1 приведены листинги некоторых программ, используемых в составе аппаратно-программного комплекса биоадаптивной системы респираторной поддержки.
В приложении 2 представлены акты внедрения результатов диссертационной работы в пульмонологическое отделение ГУЗ ТО ТОБ и в учебный процесс Тульского государственного университета.
Автор пользуется случаем выразить большую благодарность к.м.н., заведующему пульмонологическим отделением ГУЗ ТО ТОБ Сергею Юрьевичу Федорову за помощь в постановке задачи исследований и предоставленную возможность проведения клинических испытаний.
Способы вспомогательной искусственной вентиляции легких
Выделяют два основных способа ВВЛ адаптационный и триггерный (рис. 1.2). Адаптационный способ проведения ИВЛ заключается в том, что частота вентиляции, как и другие параметры (дыхательный объем (ДО), отношение продолжительности вдоха и выдоха), тщательно приспосабливаются («подстраиваются») врачом к спонтанному дыханию больного. Ориентируясь на предварительные параметры дыхания больного, обычно устанавливают первоначальную частоту дыхательных циклов аппарата на 2—3 больше, чем частота спонтанного дыхания больного, а ДО аппарата на 30—40 % выше, чем собственный ДО больного в покое [55,60].
Ориентируясь на предварительные параметры дыхания больного, обычно устанавливают первоначальную частоту дыхательных циклов аппарата на 2—3 больше, чем частота спонтанного дыхания больного, а ДО аппарата на 30—40 % выше, чем собственный ДО больного в покое [55,60]. Адаптацию считают достаточной, когда отсутствует сопротивление вдоху, а экскурсии грудной клетки совпадают с фазами искусственного дыхательного цикла. Данный способ не учитывает изменение состояния пациента, что нарушает адаптацию, а также требует присутствия врача со специализированной подготовкой для настройки параметров системы[25].
Триггерная ВВЛ - наиболее распространённая группа методов ВВЛ, основанная на регистрации аппаратом попыток пациента самостоятельно вдохнуть.
Недостаток данной методики заключается в сложной настройке для каждого пациента триггерного устройства, работу которого определяют два основных параметра: чувствительность и скорость «откликания» респиратора. Чувствительность блока определяется наименьшей величиной потока или отрицательного давления, необходимой для срабатывания переключающего устройства респиратора [33,60]. При малой чувствительности аппарата (например, 4—6 см вод. ст.) потребуется слишком большое усилие со стороны пациента, чтобы начался вспомогательный вдох [96]. При повышенной чувствительности респиратор, наоборот, может реагировать на случайные возмущения. Это ведет к негативному воздействию аппарата ИВЛ на пациента (росту работы дыхания, увеличению одышки). Поэтому выработка критерия принятия решения (установление порогового значения давления) для воздействия на человека должна осуществляться по более сложному адаптивному алгоритму, построенному на получении априорной информации об исследуемом объекте.
Режим вспомогательной вентиляции [91] позволяет применять аппараты ИВЛ в отделениях интенсивной пульмонологии, где концентрируются больные с тяжелой дыхательной недостаточностью на фоне хронических заболеваний легких. На основании ВИВЛ авторами [74,75,76] был сделан ряд усовершенствований аппаратов искусственного дыхания, которые позволяют избежать повреждения легочной ткани и за счет вибрационных и импульсных местных массажных воздействий улучшить процесс отделения мокроты от стенок бронхов.
На базе триггерной вентиляции были построены различные дополнительные методики (рис. 1.3), которые находят широкое применение в отделениях интенсивной терапии и пульмонологии [4,5,55].
Искусственно-вспомогательная вентиляция легких (Assist/Control ventilation — Ass/CMV, или A/CMV) — сочетание ИВЛ и ВИВЛ. Суть метода заключается в том, что больному проводят традиционную ИВЛ с ДО 10— 12 мл/кг, но частоту устанавливают такую, чтобы она обеспечивала минутную вентиляцию в пределах 80 % от должной. Искусственно-вспомогательную вентиляцию легких целесообразно использовать при традиционной ИВЛ для постепенной тренировки и восстановления функции дыхательных мышц [24,55]. Комбинация. ИВЛ и ВИВ Л находит широкое применение как во время адаптации больных к механической вентиляции и режимам ИВЛ, так и в период отключения респиратора после длительной ИВЛ.
Суть метода «поддержка дыхания давлением» в том, что аппарат реагирует на начало каждого вдоха и доводит давление до установленного врачом уровня, который сохраняется в течение всей инспираторной фазы. Переключение на выдох возникает, как только респиратор уловит окончание инспираторной активности [61].
Данный режим хорошо переносится больными, так как улучшает альвеолярную вентиляцию при повышенном содержании внутрисосудистой жидкости в легких, подобно другим методам респираторной поддержки дополняет недостающий объём вентиляции, причем делает это во время каждого спонтанного вдоха, позволяет дозировано изменять нагрузку на дыхательные мышцы [55].
Теория статистических решений в задаче регистрации дыхания
Вышеприведенные алгоритмы относятся к алгоритмам с фиксированным временем измерения [26]. При слежении за дыханием пациента продолжительность играет важную роль, так как непосредственно влияет на эффективность воздействия при организации респираторной поддержки [108]. Как видно из рис. 2.1, улавливание начала вдоха при фиксированном значении выборки может привести к задержке или неправильному включению клапанов, и как следствие - несинхронизации пациента и аппарата ИВЛ и ощущению дискомфорта.
Более перспективным является применение последовательного алгоритма для повышения эффективности респираторной поддержки.
Особенность последовательного анализа заключается в возможности учета при выборе правил прекращения наблюдения и вынесения решения не только стоимости тех или иных ошибочных решений, но и стоимости проведения экспериментов по получению элементов выборки [49]. Другой важной особенностью метода последовательного анализа является возможность целенаправленно влиять на ход эксперимента на последующих шагах с учетом результатов, полученных на предшествующих шагах, в том числе при меняющихся независимо от экспериментатора условиях наблюдения [52]. Один из наиболее эффективных последовательных критериев был предложен и исследован А.Вальдом.
В данном случае проверка гипотез (происходит на каждом этапе наблюдения, т.е. при получении каждого очередного отсчета [98]. При данном подходе применяется критерий отношения вероятностей. На каждом этапе составляется отношение правдоподобия Уо0 ( }) где т - номер последнего отсчета, х(у1т)) -плотность вероятности наличия сигнала в выборке, 0(yim)) - плотность вероятности шума с параметрами, характерными для каждого пациента, yt — значение разности давления при получении очередного отсчета. У = 0 2,-, ,) При этом пространство наблюдений делится не на две области, а на три - Н0, Ни 2 (рис.2.3). Наблюдение продолжается до тех пор, пока вектор у не попадет в Н0, или Я/, после чего и принимается обработка результатов измерения давления) соответствующее решение. Таким образом, процесс слежения может закончиться в любой момент, из-за чего и достигается эффективность работы аппарата ИВЛ.
Величина Л(" сличается с двумя постоянными пороговыми значениями, А и В (А В) [46]. Если Л(м) В, то принимается гипотеза Я0, если Л(т) А, то принимается гипотеза Я/, если же В Л(т) А, то испытание продолжается, т.е. берется (т+1)-п отсчет, находится Л(т+1), с которым поступают точно также, и так далее, пока после некоторого п-то отсчета положение не определится [73]. Таким образом, метод последовательного анализа является оптимальным в том смысле, что заданная верность достигается при наименьшем среднем числе измерений [108]. Т.к. значения у,- статистически независимы, то Заданными являются условные вероятности а и J3 включения клапана раньше времени (ложная тревога) и запаздывания регистрации вдоха (пропуск сигнала) [26]. Условием принятия решения о справедливости альтернативы Я, является К = у/ у)1у/й{.у) А или Л = ,О04/оСу). Это условие справедливо для любой выборки [26,108], попадающей в область X,. Поэтому можно проинтегрировать обе части последнего неравенства по этой области. Тогда получим l y)dy A[Mdy (2.9) (#, Но интеграл в правой части выражает вероятность ошибки первого рода (ложной тревоги), а интеграл в левой части - мощность критерия (вероятность правильного обнаружения) [99] при наличии сигнала. Но если вероятность пропуска сигнала есть /? , то вероятность его правильного обнаружения есть l-fi. Поэтому \-р Аа или Л(1-/?)/а Последнее неравенство является оценкой сверху для А Рассматривая аналогично случай вынесения решения в пользу гипотезы Н0, получаем Л = ух{у)1щ(у) В или Л = у{(у) Вр0(у), что после интегрирования по области Y0 дает неравенство (\-a)B J3 или В /31(\-а), определяющее оценку снизу для порога В. Таким образом, верхняя граница значения А [98] определяется из неравенства А Ь а (2.10) а нижняя - из выражения 1-а (2.11) Проведение последовательной процедуры слагается из операций вычисления [53] решающей статистики для каждого элемента выборки т lnA(m) = z, и сравнения его на каждом шаге процедуры с решающими порогами ІпА и ІпВ. Соответствующая структурная схема последовательного обнаружителя приведена на рисунке, где ВРС - вычислитель решающей статистики; Н - накопитель решающей статистики; ПУ - пороговое устройство.
Выбор рационального параметра адаптации
При разработке системы адаптации к дыханию человека, прежде всего, ставится задача [14]: система должна выполнять функциональное назначение, определяемое целью управления с наилучшими показателями качества. Для разработки таких систем применяют принцип оптимальности [66], позволяющий обеспечить наилучшее выполнение цели управления.
Следует учитывать тот фактор, что система полностью неизвестна и во время дыхания требуется определить такие параметры воздействия аппарата РІВ Л , чтобы она была оптимальной по принятому показателю качества [66]. Применение принципа адаптации позволяет искусственно создать эффект приспособления к изменяющемуся дыханию пациента за счет того, что часть функций по получению, обработке и анализу недостающей информации осуществляется самой системой в процессе вентиляции с помощью биоадаптивного управляющего устройства. Это позволяет существенно снизить влияние неопределенности на качество воздействия аппарата ИВЛ и скомпенсировать недостаток априорной информации о дыхании пациента.
Таким образом, систему пациент - аппарат ИВЛ, в которой параметры или алгоритмы корректирующих воздействий автоматически и целенаправленно изменяются для осуществления наилучшего управления дыханием (причем его характеристики могут изменяться заранее непредвиденным образом) можно называть биоадаптивной автоматической системой. Принцип адаптации применяют в тех случаях, когда сложность управляемого процесса (дыхание больного пациента) достигает такого уровня, при котором влияние неполноты априорной информации об условиях работы системы [57] становится существенным и невозможно обеспечить заданное качество процессов управления без приспособления системы к изменяющимся непредвиденным образом условиям функционирования.
При разработке биоадаптивной системы необходимо создать оптимальную конструкцию системы, которая обеспечивает автоматическую подстройку в условиях неопределенности [35,110].
Независимо от способа реализации операции адаптации в них могут быть выделены три характерные для этой операции процедуры [34,66]: идентификация, принятие решения и модифицирование (рис.3.4).
Идентификация - определение истинных значений изменяющихся физических величин и связанных с ними параметров, относящихся к основной системе (получение недостающей априорной информации о дыхании).
Принятие решения - выработка по результатам идентификации сигнала адаптации аппарата ИВЛ к дыханию.
Модифицирование - реализация сигнала адаптации к основной системе (дыхание пациента).
При разработке адаптивной системы важным моментом является формулировка цели оптимизации, которая математически выражается как требование обеспечение минимума или максимума выбранного показателя качества, называемого критерием оптимальности [94,100] или целевой функцией.
Во время дыхания пациента меняется ряд характеристик: градиенты транспульмонального давления, структура фаз дыхательного цикла, частота и глубина дыхания. Последние два показателя объединяет дыхательный объем.
Рациональная методика ИВЛ может сделать ее высокоэффективной и в то же время практически безопасной, если она основана на обеспечении адекватного газообмена при максимальном ограничении вредных эффектов, а также при сохранении субъективного ощущения «дыхательного комфорта» у больного, если он во время ИВЛ остается сознании [24].
Понятие «рациональная методика» подразумевает прежде всего рациональный выбор для данного больного следующих параметров ИВЛ: минутной вентиляции, дыхательного объема, частоты вентиляции, давления на вдохе на выдохе (а также особенностей его изменения в течение дыхательного цикла), отношения продолжительности вдоха и выдоха, скорости, вдувания газов (а также особенностей ее изменения в течение дыхательного цикла). Указанные параметры тесно связаны и обусловливают друг друга. Тем не менее при выборе конкретных величин параметров ИВЛ одному из них придается значение основного, определяющего величину всех остальных. Таким основным параметром является минутный объем вентиляции [85].
Результаты клинико-экспериментальных исследований пациентов с заболеваниями легких при работе биоадаптивной системы респираторной поддержки
На рисунке 4.12 видно линейное убывание окончание инспираторной активности и прекращение работы аппарата при достижении величины накачки аппаратом ИВ Л. (Здесь изображен случай адаптации по всему времени вдоха). Выключение аппарата в заданный момент времени препятствует возникновению неприятных ощущений в виде дополнительного сопротивления выдоху (отсутствует режим противодействия аппарата и пациента). Амплитуда воздействия снижена, из-за частоты дыхания, которая в 2.5 раза выше, чем у пациента с эмфиземой.
Хронический обструктивный бронхит (ХОБ) - заболевание, характеризующееся хроническим диффузным воспалением бронхов, ведущее к прогрессирующему нарушению вентиляции по обструктивному типу и проявляющееся кашлем, одышкой и выделением мокроты, не связанными с поражением других систем и органов [85]. Один из важнейших элементов ХОБ - воспаление (рис.4.13), которое играет первичную роль в
формировании всего комплекса патологических изменений [35,36]. Биомаркерами воспаления при ХОБ являются нейтрофилы. Они преимущественно участвуют в формировании местного дефицита антипротеаз, развитии оксидативного стресса, играют ключевую роль в цепи процессов, характерных для воспаления, ведущего в конечном итоге к необратимым морфологическим изменениям [35]. Вентиляционные нарушения при ХОБ главным образом обструктивные, проявляются экспираторной одышкой и снижением объема форсированного выдоха -интегрального показателя, отражающего выраженность бронхиальной обструкции.
При хроническом бронхите целостность альвеолярно-капиллярной мембраны сохраняется. В то же время сопротивление воздухоносных путей [19] повышается из-за гиперсекреции слизи и воспаления бронхиальной стенки.
Необратимый компонент бронхиальной обструкции определяется развивающейся эмфиземой и перибронхиальным фиброзом. My Г \ л л ЧИЦ \ J W 72 74 76 78 80 82 84 86 Рис. 4.15 - Результат совместной работы аппарата и пациента, предварительно обработанный сглаживающим сплайном. Анализ результирующих зависимостей (рис.4.15) показал высокую степень синхронизации работы системы «пациент-аппарат».
Для проверки работоспособности алгоритмов при нормальном дыхании (рис.4.16) были проведены процедуры респираторной поддержки у различного вида людей со здоровой дыхательной системой. При этом фиксировались характерные паттерны дыхания.
Амплитуда воздействия аппарата намного ниже (рис.4.17), чем у рассмотренных пациентов. Это связано, прежде всего, с частотой дыхания, которая у нормального человека приблизительно в 3 раза выше, следовательно, для обеспечения необходимой минутной вентиляции легких амплитуда воздействия уменьшена. Синхронизация работы системы «пациент-аппарат» происходила в нормальном режиме.
При анализе спектральных характеристик дыхания во время респираторной поддержки были получены следующие результаты (рис. 4.18, 4.19), не противоречащие основам патофизиологии [18,19,35,65]: у пациентов с бронхиальной астмой спектральные характеристики близки к здоровому человеку, с патологией легких (эмфизема) наблюдалось отсутствие высокочастотных составляющих и сдвиг основных пиков в область низких частот, у пациента с хроническим бронхитом из-за повышенного сопротивления дыхательных путей не зафиксированы колебательные процессы.
Полученные экспериментально-клинические результаты показывают достоверность математических моделей и разработанных методик.
Общая эффективность воздействия аппаратуры ИВЛ достигается за счет создания методики диагностики и 2-х уровней адаптации, один из которых связан с автоматической настройкой параметров, характерных для каждого вида пациента, другой обеспечивает обратную связь, корректирующую управляющие воздействия. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
На основе разработанных алгоритмов и методик была реализована и внедрена биоадаптивная система респираторной поддержки в виде аппаратно-программного комплекса.
С помощью полученного устройства были проведены экспериментально-клинические исследования на пациентах с обструктивными заболеваниями легких, которые показали высокую степень синхронизации и адаптации при различных видах характеристик и измеряемых параметров.
Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют говорить о работоспособности полученных моделей и методик и создать биоадаптивную систему респираторной поддержки на базе аппаратуры ИВЛ.
Наличие двух параллельных алгоритмов обработки измерения параметров системы «пациент-аппарат ИВЛ» дает возможность эффективно оценивать ее функционирование, давать адекватный прогноз и оптимальным образом выбирать значения управляющих воздействий.
