PL183168B1 - Model fizyczny własności lepkosprężystych płuc - Google Patents

Abstract

1. Model fizyczny własności lepkosprężystych płuc, znamienny tym, że zawiera część elektropneumatyczną (M) i elektryczną w postaci bloku przeliczającego (50), przy czym w części elektropneumatycznej kanał wejściowy (1) modelu połą czony jest z końcówką (3) przełącznika pneumatycznego (2), którego dwie pozostałe końcówki (4 1 5) są odpowiednio połączone z końcówką wyjściową (8) pneumatycznego źródła (6) przepływu i końcówką wyjściową (10) przetwornika (11) przepływu połączonego z wyjściem pneumatycznym (12) sterowanego elektrycznie źródła ciśnienia (13), którego wejście (15) połączone jest za pośrednictwem przetwornika (17) napięcie-prąd z pierwszą końcówką wejściową (21) przełącznika elektrycznego, którego druga końcówka wejściowa (22) połączona jest za pośrednictwem przetwornika (20) napięcieprąd i szeregowo połączonego z nim przetwornika (19) ciśnienia z końcówką (4) przełącznika pneumatycznego (2), a trzecia, wyjściowa końcówka (23) przełącznika elektrycznego jest połączona z wejściem bloku przeliczającego (50)

Description

Przedmiotem wynalazku jest model fizyczny własności lepkosprężystych płuc przeznaczony do celów dydaktycznych, jak urządzenia treningowe dla personelu medycznego oraz do celów badawczych związanych z budową i oceną pracy urządzeń do sztucznej wentylacji płuc.

Znane są różne rozwiązania urządzeń do symulacji własności mechanicznych płuc. Są one z reguły budowane jako mechaniczne urządzenia składające się z mieszków lub tłoków pneumatycznych, sprężyn rezystorów pneumatycznych i czasami siłowników umożliwiających symulację naturalnego oddechu pacjenta.

Znane i typowe rozwiązanie fizycznego modelu płuc stanowi połączenie dwu rezystancji pneumatycznych z dwiema komorami kondensatorów pneumatycznych reprezentującymi odpowiednio opory oddechowe i podatności obu płuc. Wejściem modelu jest kanał trójnika łączącego rezystory pneumatyczne. Kondensatory pneumatyczne są wykonane w postaci miechów kauczukowych podpartych dźwigniami połączonymi ze sprężynami zwrotnymi. Jest to rozwiązanie całkowicie mechaniczne.

Zasadniczą wadą wszystkich do tej pory budowanych modeli fizycznych własności mechanicznych płuc jest ich strukturalna nieelastyczność związana z bardzo kłopotliwą z technicznego punktu widzenia koniecznością budowy dokładnych, powtarzalnych elementów mechanicznych takich, jak rezystory pneumatyczne, sprężyny o zmiennej sztywności, generatory siły i inne podobne elementy. Zmiana jakichkolwiek parametrów jest związana z koniecznością wymiany elementów składowych oporników lub sprężyn. Niemożliwe jest w tym przypadku modelowanie dość złożonych własności lepkosprężystych płuc.

Model fizyczny własności lepkosprężystych płuc według wynalazku charakteryzuje się tym, że zbudowany jest z części elektropneumatycznej i elektrycznej. Jego kanał wejściowy połączony jest z końcówką przełącznika pneumatycznego, którego dwie pozostałe końcówki są odpowiednio połączone z końcówką wyjściową pneumatycznego źródła przepływu i końcówką wyjściową przetwornika przepływu połączonego z wyjściem pneumatycznym sterowanego elektrycznie źródła ciśnienia, którego wejście połączone jest za pośrednictwem przetwornika prąd-napięcie z pierwszą końcówką wejściową przełącznika elektrycznego, którego druga końcówka wejściowa połączona jest za pośrednictwem przetwornika napięcieprąd i szeregowo połączonego z nim przetwornika ciśnienia z końcówką przełącznika pneumatycznego, a trzecia, wyjściowa końcówka przełącznika elektrycznego jest połączona z wejściem bloku przeliczającego.

Blok przeliczający korzystnie składa się z żyratora elektrycznego dołączonego do końcówek wejściowych sieci elektrycznej zbudowanej z elementów RLC.

W innym korzystnym wykonaniu blok przeliczający ma wejściową końcówkę elektryczną połączoną z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego i pierwszym biegunem sterowanego źródła prądu elektrycznego, którego drugi biegun jest połączony do masy elektrycznej i którego końcówka sterująca jest połączona z wyjściem przetwornika cyfrowoanalogowego, którego wejścia cyfrowe są połączone z cyfrowymi wyjściami komputera przeliczającego, którego wejścia połączone są z wyjściami przetwornika analogowocyfrowego.

Sieć elektryczna RLC może być zbudowana z dwu równolegle połączonych podsieci symulujących własności mechaniczne odpowiednio lewego i prawego płata płucnego.

Pneumatyczne źródło przepływu zawiera dyszę eżektorową, której wylot jest przesłaniany płytką piezoelektryczną połączoną z wyjściem wzmacniacza, z którego wejściem połączone jest wyjście regulatora, przy czym do jednego z jego wejść doprowadzony jest sygnał wartości zadanej, a drugie wejście regulatora połączone jest za pośrednictwem przetwornika różnicy ciśnień dołączonego do zacisków rezystora laminamego znajdującego się na wyjściu kanału wyjściowego dyszy eżektorowej.

W innym rozwiązaniu pneumatyczne źródło przepływu zawiera pneumatyczny zawór rozdzielający, którego jedna dysza wejściowa połączona jest z kanałem wyjściowym dyszy eżektorowej. Druga dysza wejściowa za pośrednictwem dławika połączona jest z kanałem wejściowym dyszy eżektorowej zasilanym źródłem zasilania, przy czym każda z dysz wejściowych połączona jest z kondensatorem pneumatycznym. Ponadto zawór rozdzielający połączony jest za pośrednictwem rezystora laminamego, do którego zacisków dołączony jest

183 168 przetwornik różnicy ciśnień, którego wyjście połączone jest z jednym z wejść regulatora. Na drugie wejście tego regulatora podawany jest sygnał napięcia zadanego, a wyjście połączone jest z końcówką połączoną z płytką piezoelektryczną przedzielającą komorę zaworu rozdzielającego.

Stopień komplikacji modelu płuc według wynalazku może być dowolny, a dokładność odtworzenia zadanych własności mechanicznych płuc jest ograniczona jedynie przez dokładność użytych typowych przetworników pomiarowych i przez pasmo przenoszenia układów pneumatycznych, sterowanych źródeł ciśnienia i przepływu.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie model fizyczny własności lepkosprężystych płuc, fig. 2 - fragment układu z fig. 1 w innej wersji, fig. 3 - przykład sieci RLC symulującej własności lepkosprężyste płuc, na fig. 4 pokazany jest złożony model płuc, w którym każdy płat płucny reprezentowany jest przez osobny model fizyczny, fig. 5 pokazuje przypadek modelu, w którym w ramach sieci RLC wyodrębnione zostały dwie podsieci, fig. 6 przedstawia przykład wykonania pneumatycznego źródła natężenia przepływu sterowanego elektrycznie, a fig. 7 pokazuje takie źródło o małym poziomie szumów.

Model fizyczny własności lepkosprężystych płuc zawiera część elektropneumatyczną M oraz część elektryczną w postaci bloku przeliczającego 50. Zbudowany jest z jednego lub dwu niezależnych modeli Sj i S₂ symulujących własności lepkosprężyste płuc lub - w przypadku dwu niezależnych modeli - symulujących własności lepkosprężyste odpowiednio lewego i prawego płata płucnego połączonych przewodem pneumatycznym posiadającym rozgałęzienie 30, którego wolna końcówka 31 stanowi kanał wejściowy modelu płuca.

Kanał wejściowy 1 modelu fizycznego, w którym panuje ciśnienie p i płynie gaz o natężeniu przepływu q, połączony jest z końcówką 3 przełącznika pneumatycznego 2, którego dwie pozostałe końcówki 4 i 5 są odpowiednio połączone z końcówką wyjściową 8 pneumatycznego źródła 6 przepływu i końcówką wyjściową 10 przetwornika 11 przepływu połączonego z wyjściem pneumatycznym 12 sterowanego elektrycznie źródła ciśnienia 13, którego wejście 15 połączone jest za pośrednictwem przetwornika 17 prąd-napięcie z pierwszą końcówką wejściową 21 przełącznika elektrycznego, którego druga końcówka wejściowa 22 połączona jest za pośrednictwem przetwornika 20 napięcie-prąd i szeregowo połączonego z nim przetwornika 19 ciśnienia z końcówką 4 przełącznika pneumatycznego 2, a trzecia, wyjściowa końcówka 23 przełącznika elektrycznego jest połączona z wejściem bloku przeliczającego 50.

Źródło przepływu 6 daje w swoim kanale wyjściowym natężenie przepływu proporcjonalne do elektrycznego napięcia sterującego, podawanego do końcówki elektrycznej 7. Druga końcówka pneumatyczna 9 źródła 6 jest w opisanym przykładzie wykonania połączona z atmosferą

W kanale wyjściowym źródła 13 ciśnienia panuje ciśnienie proporcjonalne do napięcia sterującego dostarczanego do końcówki elektrycznej 15. Druga końcówka pneumatyczna 14 źródła 13 jest połączona z atmosferą Na wyjściu przetwornika 19 ciśnienia panuje napięcie proporcjonalne do ciśnienia w końcówce 8, natomiast na wyjściu 16 przetwornika 11 przepływu panuje napięcie proporcjonalne do natężenia przepływu gazu wypływającego ze źródła ciśnienia 13. Wzmacniacz 18 wzmacnia sygnał wyjściowy przetwornika 11 przepływu. Napięciowy sygnał wyjściowy tego wzmacniacza jest podawany do końcówki 21 przełącznika elektrycznego. Prąd ζ] wpływający do tej końcówki jest mierzony za pomocą przetwornika 17 prądnapięcie o bardzo małej własnej rezystancji przejściowej. Napięciowy sygnał wyjściowy przetwornika 17 proporcjonalny do prądu ζ, płynącego w końcówce 21, to jest do prądu obciążenia wzmacniacza 18 jest podawany do wejścia sterującego 15 źródła 13 ciśnienia.

Prądowy sygnał wyjściowy przetwornika 20 napięcie-prąd jest podawany do końcówki 22 przełącznika elektrycznego. Napięcie panujące na tej końcówce jest podawane do wejścia sterującego 7 źródła 6 przepływu.

Blok przeliczający 50, którego wejście połączone jest z końcówką 23 przełącznika elektrycznego, w korzystnym rozwiązaniu składa się z żyratora elektrycznego 24 dołączonego do końcówek wejściowych 25 i 26 sieci elektrycznej 27 zbudowanej z elementów RLC.

183 168

W innym wykonaniu blok przeliczający 50 ma wejściową końcówkę elektryczną, na której panuje napięcie i,! i którą wpływa prąd i^, połączoną z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego 52 i pierwszym biegunem sterowanego źródła 51 prądu elektrycznego, którego drugi biegun jest połączony do masy elektrycznej i którego końcówka sterująca, na której panuje napięcie i,, jest połączona z wyjściem przetwornika 53 cyfrowo-analogowego, którego wejścia cyfrowe są połączone z cyfrowymi wyjściami komputera przeliczającego 54 rozwiązującego układ równań wybranej sieci o zadanej impedancji wejściowej, przy czym sygnałem wejściowym dla tego układu równań jest sygnał wyjściowy przetwornika 52 analogowo-cyfrowego, a rozwiązaniem układu równań jest sygnał cyfrowy podawany do wejść cyfrowych przetwornika 53 cyfrowo-analogowego.

Przykład bardzo prostej sieci RLC symulującej własności lepkosprężyste płuc pokazano na fig. 3. Elementy opatrzone indeksem p opisują własności obszaru pneumatycznego I płuc, natomiast elementy z indeksem m odnoszą się do części tkankowej Π płuc i ich otoczenia. Rezystory R reprezentują elementy stratnościowe związane z tarciem lepkim. Indukcyjności L i pojemności C opisują własności inercyjne i sprężyste płuc.

Na fig. 5 pokazany jest przypadek modelu, w którym w ramach sieci elektrycznej RLC 27 wyodrębniono dwie równoległe podsieci 28 i 29 symulujące własności mechaniczne odpowiednio lewego i prawego płata płucnego.

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1 zaznaczono sterowane elektrycznie źródła pneumatyczne 13 ciśnienia i 6 przepływu. Istnieje wiele rozwiązań takich źródeł. Na fig. 6 pokazany jest przykład wykonania pneumatycznego źródła 6 natężenia przepływu sterowanego elektrycznie. Zasilana pneumatycznie ze źródła o ciśnieniu p_z dysza eżektorowa 32 jest przysłaniana za pomocą bimorfowej płytki piezoelektrycznej 33. Wygięcie płytki jest zależne od doprowadzonego z wyjścia 38 wzmacniacza 39 napięcia sterującego. W zależności od stopnia wygięcia płytki i tym samym stopnia przesłonięcia wylotu dyszy 32 zmienia się ciśnienie w kanale wyjściowym 34 dyszy eżektorowej.

Ciśnienie w kanale 34 może przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne względem ciśnienia otoczenia. Kierunek natężenia przepływu q w kanale 34 może być również zmienny. Natężenie przepływu q jest mierzone za pomocą rezystora laminamego 35 dającego proporcjonalny do natężenia przepływu spadek ciśnienia p mierzony za pomocą przetwornika 36 różnicy ciśnień. Wyjściowy sygnał elektryczny u tego przetwornika jest proporcjonalny do natężenia przepływu q i jest doprowadzany na jedno z wejść regulatora elektrycznego 37. Do drugiego wejścia regulatora połączonego z końcówką wejściową 7 źródła natężenia przepływu jest doprowadzony sygnał u_qo wartości zadanej. Wyjście regulatora 37 jest połączone z wejściem wzmacniacza 39. W konsekwencji powstaje układ, w którego końcówce wyjściowej 8 połączonej z kanałem rezystora laminamego 35 jest natężenie q przepływu gazu proporcjonalne do wartości zadanej podawanej na wejście regulatora 37: q = u_qo, Jest to ogólnie stosowana zasada budowy tego rodzaju źródeł przepływu.

Jeśli potrzebne jest źródło o małym poziomie szumów w kanale wyjściowym, można zastosować rozwiązanie pokazane w przykładzie wykonania na fig. 7. Dysza eżektorowa 40 jest w tym przypadku źródłem podciśnienia doprowadzanego do mieszkowego kondensatora pneumatycznego 43 i dyszy wejściowej 48 piezoelektrycznego pneumatycznego zaworu rozdzielającego 45. Do drugiej dyszy 47 tego zaworu jest doprowadzony przez dławik 44 sygnał nadciśnienia pochodzący ze źródła zasilania p_z. Dysza eżektorowa 40 i dławik 44 są połączone w punkcie 41. Kondensator 42 spełnia podobnie jak kondensator 43 rolę buforu zasilającego. Zawór rozdzielający 45 jest wykonany w postaci komory przedzielonej płytką piezoelektryczną 46. Jej ugięcie, następujące pod wpływem sygnału elektrycznego dostarczanego do końcówki 49 z regulatora 53, powoduje przeciwsobne przysłanianie i odsłanianie dysz 47 i 48 zaworu 45 i w efekcie zmianę natężenia przepływu w kanale 50 łączącym zawór z laminarnym rezystorem pomiarowym 51. Obie części komory 45 są połączone z kanałem 50. Podobnie jak w układzie z fig. 5 spadek ciśnienia na rezystorze 51 mierzony jest za pomocą przetwornika 52 różnicy ciśnień, którego elektryczny sygnał wyjściowy jest podawany na jedno z wejść regulatora 53. Na drugie wejście 7 regulatora jest podawany sygnał napięcia zadanego - sterującego pracą źródła przepływu. W końcówce pneumatycznej 8 źródła jest wytwa rżany przepływ o natężeniu q proporcjonalnym do napięcia sterującego u_qo na wejściu 7. Pokazany w tym przykładzie wykonania zawór rozdzielający 45 może być zastąpiony przez inny zawór, na przykład elektromagnetyczny i inne podobne. Nie zmienia to istoty działania układu. Podobnie jak elektrycznie sterowane źródła przepływu można budować sterowane źródła ciśnienia. W tym przypadku zamiast pomiaru natężenia przepływu trzeba wprowadzić pomiar ciśnienia.

Na pomiarowe wejście regulatora będzie w tym przypadku podawany sygnał elektryczny proporcjonalny do ciśnienia panującego w końcówce pneumatycznej 8 źródła ciśnienia.

183 168

Fig. 5

183 168

Fig. 6

183 168

Fig. 7

183 168

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Model fizyczny własności lepkosprężystych płuc, znamienny tym, że zawiera część elektropneumatyczną (M) i elektryczną w postaci bloku przeliczającego (50), przy czym w części elektropneumatycznej kanał wejściowy (1) modelu połączony jest z końcówką (3) przełącznika pneumatycznego (2), którego dwie pozostałe końcówki (4 i 5) są odpowiednio połączone z końcówką wyjściową (8) pneumatycznego źródła (6) przepływu i końcówką wyjściową (10) przetwornika (11) przepływu połączonego z wyjściem pneumatycznym (12) sterowanego elektrycznie źródła ciśnienia (13), którego wejście (15) połączone jest za pośrednictwem przetwornika (17) napięcie-prąd z pierwszą końcówką wejściową (21) przełącznika elektrycznego, którego druga końcówka wejściowa (22) połączona jest za pośrednictwem przetwornika (20) napięcie-prąd i szeregowo połączonego z nim przetwornika (19) ciśnienia z końcówką (4) przełącznika pneumatycznego (2), a trzecią wyjściowa końcówka (23) przełącznika elektrycznego jest połączona z wejściem bloku przeliczającego (50).
2. 2. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że blok przeliczający (50) składa się z żyratora elektrycznego (24) dołączonego do końcówek wejściowych (25 i 26) sieci elektrycznej (27) zbudowanej z elementów RLC.
3. 3. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że blok przeliczający (50) ma wejściową końcówkę elektryczną połączoną z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego (52) i pierwszym biegunem sterowanego źródła (51) prądu elektrycznego, którego drugi biegun jest połączony do masy elektrycznej i którego końcówka sterująca jest połączona z wyjściem przetwornika (53) cyfrowo-analogowego, którego wejścia cyfrowe są połączone z cyfrowymi wyjściami komputera przeliczającego (54), którego wejścia połączone są z wyjściami przetwornika (52) analogowo-cyfrowego.
4. 4. Model według zastrz. 2, znamienny tym, że sieć elektryczna RLC (27) jest zbudowana z dwu (28 i 29) równolegle połączonych podsieci symulujących własności mechaniczne odpowiednio lewego i prawego płata płucnego.
5. 5. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że pneumatyczne źródło (6) przepływu zawiera dyszę eżektorową (32), której wylot jest przesłaniany płytką piezoelektryczną (33) połączoną z wyjściem (38) wzmacniacza (39), z którego wejściem połączone jest wyjście regulatora (37), przy czym do jednego z jego wejść doprowadzony jest sygnał (u_qo) wartości zadanej, a drugie wejście regulatora (37) połączone jest za pośrednictwem przetwornika (36) różnicy ciśnień dołączonego do zacisków rezystora laminamego (35) znajdującego się na wyjściu kanału wyjściowego (34) dyszy eżektorowej (32).
6. 6. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że pneumatyczne źródło (6) przepływu zawiera pneumatyczny zawór rozdzielający (45), którego jedna dysza wejściowa (48) połączona jest z kanałem wyjściowym dyszy eżektorowej (40), a druga dysza wejściowa (47) za pośrednictwem dławika (44) połączona jest z kanałem wejściowym dyszy eżektorowej (40) zasilanym źródłem zasilania (pj, przy czym każda z dysz wejściowych (47) i (48) połączona jest z kondensatorem pneumatycznym, odpowiednio (42) i (43), a ponadto zawór rozdzielający (45) połączony jest za pośrednictwem rezystora laminamego (51), do którego zacisków dołączony jest przetwornik (52) różnicy ciśnień, którego wyjście połączone jest z jednym z wejść regulatora (53), na którego drugie wejście podawany jest sygnał napięcia zadanego, a wyjście połączone jest z końcówką (49) połączoną z płytką piezoelektryczną (46) przedzielającą komorę zaworu rozdzielającego (45).

   183 168