![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
valerishaVitaly Dubrovner
April 4 at 9:57 AM ·
Аппараты ИВЛ. Ликбез от полу-профессионала. Лонгрид. Часть 1.
Всем привет!
Среди моих читателей всё больше появляется интересующихся актуальной сейчас темой: искусственная вентиляция лёгких.
Я хочу коснуться нескольких важных аспектов и ответить на следующие вопросы:
- что такое аппараты ИВЛ, что они должны уметь делать
- как используются аппараты ИВЛ в больницах, на дому, в амбулансах и в long-term (домах престарелых и прочая)
- с какими именно непростыми задачами сталкиваются разработчики при создании аппаратов ИВЛ
- что сейчас есть на рынке и что предлагают «народные умельцы».
Сразу оговорюсь, я всего лишь разработчик программного обеспечения, мои знания далеки от того, что знает врач скорой помощи, а уж тем более тот, кого называют RT, то есть “respiratory therapist”, то есть специалист по дыханию. Но расскажу то, что знаю, и то, что мне требуется знать в ходе разработок.
Итак, искусственная вентиляция лёгких. По простому, это способы помочь человеку, испытывающему трудности с дыханием.
Мне, например, первое что приходило в голову до того, что я начал этим заниматься – это искусственное дыхание, которое оказывают тонувшему и вытащенному на берег человеку. Там главная задача, откачать (отсосать) у потерпевшего воду из лёгких, параллельно «заново запустив» дыхательный рефлекс, качая ему лёгкие снаружи через гружную клетку.
Вторая ассоциация – мешок Амбу, такая груша типа клизмы, которую засовывают человеку в рот и ритмично вдувают ему в лёгкие воздух.
Аппараты же ИВЛ, по большому счёту, можно разделить на стационарные, которые пользуются сжатым воздухом (обогащённым или необогащённым кислородом), как источником потока, и мобильные, которые пользуются механическими компрессорами, создающими поток воздуха.
В больницах прежде всего находится какое-то количество стационарных машин. Чаще всего они находятся в реанимационных (потому у нас их называют аппараты ICU, то есть для intensive care unit). Их количество ограничено, они занимают много места, они чертовски дорогие, а главное, при перевозке пациента на процедуры, снимки, в операционную итд нужна замена.
Так что любая больница содержит немалое количество мобильных аппаратов.
Проблемы, при которых требуется использование вентиляции лёгких, можно условно разделить на несколько групп:
- хронические лёгочные заболевания
- острые временные заболевания (отёк лёгких, пневмония, механические повреждения)
- здоровые лёгкие, но требуется вентиляция во время операций или временных проблем с центральной нервной системой (то бишь, человек не дышит, хотя с лёгкими всё ок).
Теперь о том, как работают аппараты ИВЛ.
Условно цикл вентиляции можно разделить на несколько фаз:
- триггер, то есть причина, по которой инициируется вдох (из-за желания пациента или отсчитанного машиной времени)
- активная фаза вдоха (slope phase), при которой в лёгкие пациента нагнетается поток воздуха, сопровождаемый повышением внутрилёгочного давления
- пассивная фаза вдоха (keep phase), когда лёгкие уже наполнены нужным количеством, давление постоянное, альвеолы, маленькие мешочки в стенках лёгких вытягивают кислород из воздуха в лёгких и насыщают им кровь через подключенные к ним маленькие каппиляры
- пассивный выдох (cycle phase), когда открываются все «шлюзы» и воздух, находящийся в лёгких под давлением, естественным путём выходит наружу
- поддержание давления после выдоха (PEEP phase), когда нет нагнетания воздуха в лёгкие, но при этом поддерживается определенное давление с помощью остаточного воздуха, чтоб лёгкие не «захлопнулись»
Выглядит всё не очень сложно, но есть многие challenges по дороге.
Прежде всего, контроль, управление работой мотора, входных клапанов кислорода и выходных клапанов. Обычно в «рецепте» пациенту врач высчитывает каков объём или какое давление воздуха должны быть при каждом дыхании, какова нормальная частота дыхания и длительность вдоха, нужно ли обогащать воздух кислородом, каково должно быть остаточное давление в лёгких, как синхронизировать дыхание пациента, то бишь его «личные триггеры» и машинные.
И помимо "выполнения рецепта", надо сделать всё, чтоб пациент не сражался с машиной, чтоб он получал поддержку, когда пытается сам вдохнуть, чтоб он без проблем выдыхал, когда желает выдохнуть, чтоб ему было удобно, и чтоб в конечном итоге кислород в его крови достигал желаемой концентрации («сатурация»).
Это процесс "синхронизации" с пациентом - одна из самых сложных задач во время лёгочной вентиляции.
(чуть более техническое продолжение - в следующем посте: https://www.facebook.com/vitaly.dubrovner/posts/10158093145059659)
P.S. На картинке - наш основной аппарат, Flight-60, который на рынке с 2012 года с манифольдным мотором и с 2015 года - с турбинным мотором.
Именно эти аппараты сейчас производятся на нашем заводе и поступают в больницы Израиля, и не только.
Vitaly Dubrovner
April 4 at 10:00 AM ·
первая часть здесь: https://www.facebook.com/vitaly.dubrovner/posts/10158093139729659
Аппараты ИВЛ. Ликбез от полу-профессионала. Лонгрид. Часть 2.
Теперь попытаюсь ответить Артёму ака Artem Sunduchkov, почему «обыкновенный насос» для этих целей не годится.
Триггер: когда пациент хочет вдохнуть он автоматически уменьшает давление в своих лёгких и начинает втягивать воздух – сенсоры давления и потока должны этот момент уловить и не ошибиться, чтоб не начать нагнетать воздух пациенту против его воли. Challenge для разработчика – с одной стороны мотор работает для того, чтоб поддерживать остаточное давление PEEP (см. последняя фаза дыхания), то есть при падении давления «восполняет» его с помощью увеличения оборотов двигателя, с другой стороны это падение давления может быть триггером пациента – вот тебе непростая алгоритмическая задача для digital signaling process.
Slope: график давления выглядит, как трапеция, и слоп – боковая сторона - постепенное достижение целевого давления. Алгоритм контроля двигателя, который обеспечит этот подъём и не приведёт к overpressure, то бишь инерционно не выскочит за целевое значение – это ещё один непростой challenge. Он решался бы легко с помощью PID-контроля, но чувствительность и инерция у кислородных клапанов и, например, турбины, совершенно разная, и простого PID-алгоритма будет мало.
Keep: это как раз наименее сложный процесс, ведь надо попросту либо остановить работу мотора (того же манифольда) или продолжать крутить турбину «на холостом ходу», то бишь находясь на потоке 0 (система уравновешена, нет ни вдоха, ни выдоха).
Но чаще всего это либо очень короткая фаза, либо вообще отсутствует, ведь зачастую пациент не хочет «задерживать дыхание» и сразу хочет выдохнуть. Тут важно вовремя заметить падение потока и «открыть шлюз», чтоб не привести к окклюзии, то бишь к удавке.
Cycle – вроде всё просто, останови мотор, открой выходные клапаны и пациент сам всё выдохнет, но нет, мы должны продолжать следить за потоком и давлением. Мониторинг давления поможет нам запустить мотор до того, что давление упадёт ниже указанного PEEP, чтоб не привести к коллапсу лёгких, а поток – поможет высчитать, есть ли в системе утечка и получил ли пациент реально весь тот воздух, который мы ему «всучили» в предыдущих фазах.
PEEP – тут главный челлендж продолжать обогащать кислородом воздух, идущий по трубкам, ведь это будет «первый воздух», который пациент получит при следующем дыхании. Ну и поймать момент триггера, как я рассказывал раньше.
Я ещё не упомянул челленджи другого рода. А именно: когда мы хотим давать обогащенную кислородом смесь, у нас по сути два разных источника – кислородный баллон, из которого поступает кислород под большим давлением и потоком которого мы управляем с помощью входных клапанов, и мотор, который и «всасывает» воздух снаружи, и получает кислород под давлением из клапана. В конечном итоге у нас должна получиться правильная смесь, и алгоритм управления клапаном и мотором очень и очень непростой. Если кто-то учил DSP, обыкновенным PID-контролем достигнуть желаемого практически невозможно, поэтому мы разрабатываем сложные алгоритмы MIMO (multiple input, multiple output).
Ещё наша машина должна уметь реагировать на критические ситуации – резкое повышение давления, окклюзия, прекращение самостоятельного дыхания пациента итд. У нас есть сложная система тревог на разных уровнях, в случае технических, пневматических или электронных проблем.
Мониторинг – помимо графиков давления, объёма дыхания и мгновенного потока воздуха, мы мониторим сатурация кислорода в крови, капнометрию (количество углекислого газа при выдохе, спасибо Eli Ratner и его конторе), управляем специальным баллоничком воздуха, который регулирует ширину прохода для трубок при инвазивной терапии.
Ещё наши приборы предназначены для постепенного «отучения» от них, помогают в процессе восстановления естественного дыхания с помощью изучения трендов на разных этапах лечения пациента.
И ещё многое другое.
Машины, подобные нашей, конечно же, на рынке присутствуют. Есть крупные компании с подобными продуктами: Medtronic, Philips, Hamilton, Draegger, всё это наши конкуренты, и сейчас у нас с ними «столкновение» на «бутылочном горлышке» рынка турбин.
!!!!
В случае с «короной», у пациентов в основном наблюдается ARDS или попросту говоря, разрушение и отёк лёгких. В таких случаях более простая «вентиляция по объёму» попросту не будет работать, нужна вентиляция с большим количеством (80-90%) кислорода с большим давлением и с большим PEEP-ом. Осуществить такую вентиляцию реально только с помощью вентиляторов по типу, описанному выше.
«Бюджетные» варианты с вентиляторами, которые просто гонят воздух, вряд ли помогут.
И ещё, при таком режиме вентиляции вероятен долгосрочный вред, наносимый дыхательным путям и лёгким. А значит, что даже выздоровевшим от короны понадобится какое-то время пользоваться ИВЛ, пока лёгкие вернутся к нормальной работе.
В рутинной больничной жизни «при деле» по всем больницам Израиля, ну, может, 150 вентялторов, плюс ещё 50-60 на амбулансах, плюс ещё около 100 – в больницах long-term, типа дома престарелых.
Это значит, что «свободных» вентиляторов для кризиса «коронавируса» - около 1500 на данный момент. ИВЛ требуется 1-2% от заболевших «короной».
Значит, после 75000 больных одновременно у нас точно начнутся проблемы с количеством ИВЛ. Правда, боюсь, проблемы у нас начнутся гораздо раньше, ведь все эти сотни аппаратов кто-то должен настроить, запустить, следить за их работой. Я не уверен, что в больницах есть достаточное количество грамотных RT, respiratory therapists. Я уже не говорю, что у нас в реанимационных НЕТ такого количества коек.
Так что может дело и не в количестве ИВЛ.
Делайте выводы сами.
В комментариях постараюсь ответить на возникающие вопросы.
Спасибо за внимание.
P.S. На картинке - наша последняя разработка, аппарат Ventoux, который получил все нужные сертификации в Европе и в Израиле и сейчас начинает клиническую обкатку.
April 4 at 9:57 AM ·
Аппараты ИВЛ. Ликбез от полу-профессионала. Лонгрид. Часть 1.
Всем привет!
Среди моих читателей всё больше появляется интересующихся актуальной сейчас темой: искусственная вентиляция лёгких.
Я хочу коснуться нескольких важных аспектов и ответить на следующие вопросы:
- что такое аппараты ИВЛ, что они должны уметь делать
- как используются аппараты ИВЛ в больницах, на дому, в амбулансах и в long-term (домах престарелых и прочая)
- с какими именно непростыми задачами сталкиваются разработчики при создании аппаратов ИВЛ
- что сейчас есть на рынке и что предлагают «народные умельцы».
Сразу оговорюсь, я всего лишь разработчик программного обеспечения, мои знания далеки от того, что знает врач скорой помощи, а уж тем более тот, кого называют RT, то есть “respiratory therapist”, то есть специалист по дыханию. Но расскажу то, что знаю, и то, что мне требуется знать в ходе разработок.
Итак, искусственная вентиляция лёгких. По простому, это способы помочь человеку, испытывающему трудности с дыханием.
Мне, например, первое что приходило в голову до того, что я начал этим заниматься – это искусственное дыхание, которое оказывают тонувшему и вытащенному на берег человеку. Там главная задача, откачать (отсосать) у потерпевшего воду из лёгких, параллельно «заново запустив» дыхательный рефлекс, качая ему лёгкие снаружи через гружную клетку.
Вторая ассоциация – мешок Амбу, такая груша типа клизмы, которую засовывают человеку в рот и ритмично вдувают ему в лёгкие воздух.
Аппараты же ИВЛ, по большому счёту, можно разделить на стационарные, которые пользуются сжатым воздухом (обогащённым или необогащённым кислородом), как источником потока, и мобильные, которые пользуются механическими компрессорами, создающими поток воздуха.
В больницах прежде всего находится какое-то количество стационарных машин. Чаще всего они находятся в реанимационных (потому у нас их называют аппараты ICU, то есть для intensive care unit). Их количество ограничено, они занимают много места, они чертовски дорогие, а главное, при перевозке пациента на процедуры, снимки, в операционную итд нужна замена.
Так что любая больница содержит немалое количество мобильных аппаратов.
Проблемы, при которых требуется использование вентиляции лёгких, можно условно разделить на несколько групп:
- хронические лёгочные заболевания
- острые временные заболевания (отёк лёгких, пневмония, механические повреждения)
- здоровые лёгкие, но требуется вентиляция во время операций или временных проблем с центральной нервной системой (то бишь, человек не дышит, хотя с лёгкими всё ок).
Теперь о том, как работают аппараты ИВЛ.
Условно цикл вентиляции можно разделить на несколько фаз:
- триггер, то есть причина, по которой инициируется вдох (из-за желания пациента или отсчитанного машиной времени)
- активная фаза вдоха (slope phase), при которой в лёгкие пациента нагнетается поток воздуха, сопровождаемый повышением внутрилёгочного давления
- пассивная фаза вдоха (keep phase), когда лёгкие уже наполнены нужным количеством, давление постоянное, альвеолы, маленькие мешочки в стенках лёгких вытягивают кислород из воздуха в лёгких и насыщают им кровь через подключенные к ним маленькие каппиляры
- пассивный выдох (cycle phase), когда открываются все «шлюзы» и воздух, находящийся в лёгких под давлением, естественным путём выходит наружу
- поддержание давления после выдоха (PEEP phase), когда нет нагнетания воздуха в лёгкие, но при этом поддерживается определенное давление с помощью остаточного воздуха, чтоб лёгкие не «захлопнулись»
Выглядит всё не очень сложно, но есть многие challenges по дороге.
Прежде всего, контроль, управление работой мотора, входных клапанов кислорода и выходных клапанов. Обычно в «рецепте» пациенту врач высчитывает каков объём или какое давление воздуха должны быть при каждом дыхании, какова нормальная частота дыхания и длительность вдоха, нужно ли обогащать воздух кислородом, каково должно быть остаточное давление в лёгких, как синхронизировать дыхание пациента, то бишь его «личные триггеры» и машинные.
И помимо "выполнения рецепта", надо сделать всё, чтоб пациент не сражался с машиной, чтоб он получал поддержку, когда пытается сам вдохнуть, чтоб он без проблем выдыхал, когда желает выдохнуть, чтоб ему было удобно, и чтоб в конечном итоге кислород в его крови достигал желаемой концентрации («сатурация»).
Это процесс "синхронизации" с пациентом - одна из самых сложных задач во время лёгочной вентиляции.
(чуть более техническое продолжение - в следующем посте: https://www.facebook.com/vitaly.dubrovner/posts/10158093145059659)
P.S. На картинке - наш основной аппарат, Flight-60, который на рынке с 2012 года с манифольдным мотором и с 2015 года - с турбинным мотором.
Именно эти аппараты сейчас производятся на нашем заводе и поступают в больницы Израиля, и не только.
Vitaly Dubrovner
April 4 at 10:00 AM ·
первая часть здесь: https://www.facebook.com/vitaly.dubrovner/posts/10158093139729659
Аппараты ИВЛ. Ликбез от полу-профессионала. Лонгрид. Часть 2.
Теперь попытаюсь ответить Артёму ака Artem Sunduchkov, почему «обыкновенный насос» для этих целей не годится.
Триггер: когда пациент хочет вдохнуть он автоматически уменьшает давление в своих лёгких и начинает втягивать воздух – сенсоры давления и потока должны этот момент уловить и не ошибиться, чтоб не начать нагнетать воздух пациенту против его воли. Challenge для разработчика – с одной стороны мотор работает для того, чтоб поддерживать остаточное давление PEEP (см. последняя фаза дыхания), то есть при падении давления «восполняет» его с помощью увеличения оборотов двигателя, с другой стороны это падение давления может быть триггером пациента – вот тебе непростая алгоритмическая задача для digital signaling process.
Slope: график давления выглядит, как трапеция, и слоп – боковая сторона - постепенное достижение целевого давления. Алгоритм контроля двигателя, который обеспечит этот подъём и не приведёт к overpressure, то бишь инерционно не выскочит за целевое значение – это ещё один непростой challenge. Он решался бы легко с помощью PID-контроля, но чувствительность и инерция у кислородных клапанов и, например, турбины, совершенно разная, и простого PID-алгоритма будет мало.
Keep: это как раз наименее сложный процесс, ведь надо попросту либо остановить работу мотора (того же манифольда) или продолжать крутить турбину «на холостом ходу», то бишь находясь на потоке 0 (система уравновешена, нет ни вдоха, ни выдоха).
Но чаще всего это либо очень короткая фаза, либо вообще отсутствует, ведь зачастую пациент не хочет «задерживать дыхание» и сразу хочет выдохнуть. Тут важно вовремя заметить падение потока и «открыть шлюз», чтоб не привести к окклюзии, то бишь к удавке.
Cycle – вроде всё просто, останови мотор, открой выходные клапаны и пациент сам всё выдохнет, но нет, мы должны продолжать следить за потоком и давлением. Мониторинг давления поможет нам запустить мотор до того, что давление упадёт ниже указанного PEEP, чтоб не привести к коллапсу лёгких, а поток – поможет высчитать, есть ли в системе утечка и получил ли пациент реально весь тот воздух, который мы ему «всучили» в предыдущих фазах.
PEEP – тут главный челлендж продолжать обогащать кислородом воздух, идущий по трубкам, ведь это будет «первый воздух», который пациент получит при следующем дыхании. Ну и поймать момент триггера, как я рассказывал раньше.
Я ещё не упомянул челленджи другого рода. А именно: когда мы хотим давать обогащенную кислородом смесь, у нас по сути два разных источника – кислородный баллон, из которого поступает кислород под большим давлением и потоком которого мы управляем с помощью входных клапанов, и мотор, который и «всасывает» воздух снаружи, и получает кислород под давлением из клапана. В конечном итоге у нас должна получиться правильная смесь, и алгоритм управления клапаном и мотором очень и очень непростой. Если кто-то учил DSP, обыкновенным PID-контролем достигнуть желаемого практически невозможно, поэтому мы разрабатываем сложные алгоритмы MIMO (multiple input, multiple output).
Ещё наша машина должна уметь реагировать на критические ситуации – резкое повышение давления, окклюзия, прекращение самостоятельного дыхания пациента итд. У нас есть сложная система тревог на разных уровнях, в случае технических, пневматических или электронных проблем.
Мониторинг – помимо графиков давления, объёма дыхания и мгновенного потока воздуха, мы мониторим сатурация кислорода в крови, капнометрию (количество углекислого газа при выдохе, спасибо Eli Ratner и его конторе), управляем специальным баллоничком воздуха, который регулирует ширину прохода для трубок при инвазивной терапии.
Ещё наши приборы предназначены для постепенного «отучения» от них, помогают в процессе восстановления естественного дыхания с помощью изучения трендов на разных этапах лечения пациента.
И ещё многое другое.
Машины, подобные нашей, конечно же, на рынке присутствуют. Есть крупные компании с подобными продуктами: Medtronic, Philips, Hamilton, Draegger, всё это наши конкуренты, и сейчас у нас с ними «столкновение» на «бутылочном горлышке» рынка турбин.
!!!!
В случае с «короной», у пациентов в основном наблюдается ARDS или попросту говоря, разрушение и отёк лёгких. В таких случаях более простая «вентиляция по объёму» попросту не будет работать, нужна вентиляция с большим количеством (80-90%) кислорода с большим давлением и с большим PEEP-ом. Осуществить такую вентиляцию реально только с помощью вентиляторов по типу, описанному выше.
«Бюджетные» варианты с вентиляторами, которые просто гонят воздух, вряд ли помогут.
И ещё, при таком режиме вентиляции вероятен долгосрочный вред, наносимый дыхательным путям и лёгким. А значит, что даже выздоровевшим от короны понадобится какое-то время пользоваться ИВЛ, пока лёгкие вернутся к нормальной работе.
В рутинной больничной жизни «при деле» по всем больницам Израиля, ну, может, 150 вентялторов, плюс ещё 50-60 на амбулансах, плюс ещё около 100 – в больницах long-term, типа дома престарелых.
Это значит, что «свободных» вентиляторов для кризиса «коронавируса» - около 1500 на данный момент. ИВЛ требуется 1-2% от заболевших «короной».
Значит, после 75000 больных одновременно у нас точно начнутся проблемы с количеством ИВЛ. Правда, боюсь, проблемы у нас начнутся гораздо раньше, ведь все эти сотни аппаратов кто-то должен настроить, запустить, следить за их работой. Я не уверен, что в больницах есть достаточное количество грамотных RT, respiratory therapists. Я уже не говорю, что у нас в реанимационных НЕТ такого количества коек.
Так что может дело и не в количестве ИВЛ.
Делайте выводы сами.
В комментариях постараюсь ответить на возникающие вопросы.
Спасибо за внимание.
P.S. На картинке - наша последняя разработка, аппарат Ventoux, который получил все нужные сертификации в Европе и в Израиле и сейчас начинает клиническую обкатку.
