RU2735759C1 - Мультипликаторно-золотниковый аппарат искусственной вентиляции легких - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицине, а именно к мультипликаторно-золотниковому аппарату искусственной вентиляции легких. Аппарат включает неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, и скользящий по его внутренней поверхности ротор, содержащий газ под 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, … . Суммарная угловая величина окон ротора и статора γ =γ

+ γ

, где γ

, γ

- угловые величины окон ротора и статора соответственно, должна удовлетворять условию γ

nδ, где δ - универсальная (зависящая только от чисел m, n) характеристика устройства: δ = 2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции, δ = 2π/n/(mn-1) - для обратной. Статор и ротор в продольном направлении выполнены двухсекционными, одна секция которых, компрессионная, сообщена со сжатой кислородной смесью, а другая - атмосферная - с внешней средой. Обе секции статора имеют n одинаковых окон угловой величины γ

, соединенных с дыхательными трубками вдоха и выдоха, которые на других концах соединены с тройниками пациентов. Компрессионная секция ротора имеет окна угловой величины γ

= nδ/(1+b/a)-γ

, а атмосферная -γ

= nδ/(1+a/b)-γ

, где a/b - отношение длительностей вдоха и выдоха. Эти секции ротора-золотника повернуты друг относительно друга на угол nδ/(1+b/a) и разделены несущей круговой пластиной. Частота вращения ротора составляет f = ν/(mn+1) для прямой вентиляции и f = ν/(mn-1) - для обратной, где ν - требуемая частота дыхания. Техническим результатом является обеспечение оптимального режима аппарата ИВЛ с вращающимся многооконным ротором-золотником по критерию обслуживания дыхательных контуров, простое экономичное золотниковое распределение кислородной смеси под небольшим избыточным давлением сразу по нескольким дыхательным контурам, возможность варьирования частоты дыхания, оптимизация формы кривых давления в дыхательных контурах по критерию купирования дыхательной недостаточности и обеспечение реализации высокочастотной ИВЛ с частотой дыхания до 3000 циклов в минуту. 3 ил.

Description

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для принудительной вентиляции дыхательной системы больных в условиях вспышки массовой пандемии и других чрезвычайных ситуаций, когда стремительный рост числа заболевших «захлестывает» возможности здравоохранения. Аппарат искусственной вентиляции легких (ИВЛ) - это весьма высокотехнологичное дорогостоящее медицинское оборудование, предназначенное для принудительной подачи газовой смеси, содержащей кислород, в легкие пациентов с целью насыщения крови кислородом и удаления из них углекислого газа /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; Chatburn 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 простого надежного экономичного аппарата ИВЛ, работающего в режиме принудительного дыхания по времени, призванного восполнить внезапный недостаток штатного оборудования при катастрофических пандемиях, приводящих к массовой дыхательной недостаточности населения. Особенностью предложенной конструкции является отсутствие вентилятора, что повышает надежность и экономичность, и возможность в случае чрезвычайных ситуаций подключения к одному аппарату нескольких пациентов.

Отсутствие вентилятора достигнуто благодаря применению в конструкции мультипликаторного золотника, обеспечивающего быстрое переключение дыхательных контуров от источника газа под давлением при его медленном вращении. Медленное вращение снижает мощность сил трения и тепловыделения при скольжении ротора-золотника по поверхности статора, что открывает возможности его применения даже для больших диаметров.

Аппараты, позволяющие успешно проводить ИВЛ одновременно нескольким пациентам, экстренно были созданы в 2020г. 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/.

Итак, предлагается использовать золотниковый принцип подачи кислородно-воздушной смеси, но не традиционно распространенный в пневматических системах возвратно-поступательный, а наиболее простой и надежный - медленно вращающийся. Применение вращающихся золотниковых пульсаторов до сих пор сдерживалось следующим обстоятельством. С ростом частоты вращения золотника увеличивается окружная скорость на его наружной поверхности трения, и механизм скольжения сопрягающихся поверхностей - ротора и статора, - осложняется ростом мощности сил трения, значительным тепловыделением, трудностями смазки, износом сопрягающихся поверхностей и нарушениями плотности их взаимного прилегания. Следовательно, многократное снижение частоты вращения золотниковых пульсаторов, на порядок и более, при сохранении функциональности, весьма принципиально, ибо открывает возможности их широкого внедрения.

Вращающийся золотниковый аппарат ИВЛ включает в себя неподвижный статор и вращающийся ротор, расположенный внутри статора по его оси симметрии. Функция статора - равномерное размещение по окружности n дыхательных контуров, воспринимающих из ресивера и передающих далее по трубкам вдоха через тройники пациентов кислородную смесь и выводящих через трубки выдоха в атмосферу отработанную углекислотную смесь, а ротора - периодическое последовательное распределение этих дозированных порций газа по дыхательным контурам. Окна статора и ротора выполнены в виде щелевых отверстий. При использовании на роторе только одного окна большая часть времени вращения ротора-золотника расходуется не на выполнение его главной функции - подачи и отвода газа под давлением на окна статора, а на совершенно непроизводительные холостые повороты своего единственного окна ротора к очередному окну статора. Это влечет высокие обороты ротора и малое время совмещения окон ротора и статора для выполнения основной функции. Недопустимо резко снижается функциональность и надежность устройства из-за значительного механического тепловыделения, трудностей смазки, износа сопрягающихся поверхностей и нарушений плотности их взаимного прилегания.

Таким образом, сдерживающим фактором применения роторов-золотников являлась высокая частота их вращения.

Задачей заявляемого изобретения является многократное снижение частоты вращения ротора золотникового аппарата ИВЛ за счет использования многооконного ротора, при котором полный цикл подачи свежего газа в дыхательные контуры пациентов и вывода из них отработанного осуществляется за время не полного оборота ротора, а только за время весьма малого его поворота, что устраняет перечисленные выше проблемы внедрения вращающихся золотников.

Устройством, лежащим в основе изобретения и наиболее близким к нему, является медленно вращающийся мультипликативный золотниковый пульсатор, принятый за прототип /Свияженинов Е.Д. Мультипликативный золотниковый пульсатор. Патент на изобретение РФ № 2698385. Приоритет 12.10.2018/. «Медленно вращающийся» ротор - по сравнению с частотой вращения волны реакции статора. Устройство по прототипу включает неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, и скользящий по нему ротор, содержащий газообразную среду под избыточным давлением, которое может быть как положительным (сжатие), так и отрицательным (разрежение или вакуум), снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной пульсации соответственно, где m - коэффициент мультипликации,- любое натуральное число: m = 1, 2, 3,…, при этом полный цикл последовательных пульсаций давления газа по окнам статора осуществляется за время не полного оборота ротора, а только за время его поворота на малый угол 2π/(mn+1) или 2π/(mn-1) соответственно в прямом или обратном направлении относительно направления вращения ротора, что обеспечивает одновременно снижение требуемой частоты вращения ротора в mn+1 или mn-1 раз для достижения малой линейной скорости скольжения вращающегося золотника и увеличения времени замкнутого состояния в это же число раз. Суммарная угловая величина окон ротора и статора γ = γ

+ γ

, где γ

, γ

- угловые величины окон ротора и статора соответственно, должна удовлетворять условию γ

nδ, где δ - универсальная (зависящая только от чисел m, n) характеристика устройства: δ = 2π/n/(mn+1) - для прямой пульсации, δ = 2π/n/(mn-1) - для обратной, соответственно. Прототип предназначен для получения последовательной равномерной по времени пульсации на окнах статора в прямом или обратном направлении относительно направления вращения ротора. Частота вращения импульсов давления на окнах статора в mn+1 или mn-1 раз выше, чем в пульсаторе с однооконным ротором-золотником при той же частоте его вращения. Следовательно, требуемая частота вращения mn+1 или mn-1-оконного золотника будет соответственно в mn+1 или в mn-1 раз меньше частоты вращения однооконного ротора-золотника, дающего ту же частоту вращения импульсов давления по окнам статора. Поэтому золотник по предложенной схеме устройства выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты вращения импульсов в mn+1 или в mn-1 раз, и его частота вращения должна быть во столько же раз снижена. Но при сниженной частоте вращения ротора-золотника во столько же раз увеличивается время замкнутого состояния - время работы окна статора, пока мимо него проходит окно ротора. Следовательно, эффект мультипликации приводит к тому же результату, но при существенно сниженной скорости вращения золотника.

В прототипе пульсация воздуха создается на окнах статора без замкнутых оконечных устройств, которыми для аппарата ИВЛ являются дыхательные контуры пациентов. Импульсы свежего газа поступают в дыхательные трубки вдоха, а отработанного - выходят в атмосферную среду через трубки выдоха с заданными частотой и соотношением длительностей вдоха-выдоха.

Поставленная задача решается тем, что окна статора соединены с трубками вдоха и выдоха, а вращающийся мультипликаторный золотник ротора выполнен двухсекционным, одна секция которого сообщена с кислородной смесью под определенным постоянным давлением ресивера, а другая - с атмосферной средой, при этом обе секции золотника имеют одинаковое число окон, но повернуты друг относительно друга и разделены несущей круговой пластиной. Сопутствующим эффектом является простота, надежность и экономичность конструкции, а также возможность дополнительного подключения сразу нескольких пациентов.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез аппарата ИВЛ, на фиг. 2 - поперечные разрезы по двум сечениям секций A-A и B-B, сообщающихся с компрессионной и атмосферной камерами соответственно, на фиг. 3 - временные развертки площади открытия S открывающихся-закрывающихся окон статора, соединяющихся с трубками вдоха и выдоха, и давлений P в дыхательных путях пациентов для выбранного в качестве примера соотношения длительностей вдоха-выдоха 1:1.

Схема мультипликаторно-золотникового аппарата ИВЛ

Мультипликаторный золотниковый аппарат искусственной вентиляции легких (фиг. 1, 2) состоит из вращающегося двухсекционного ротора-золотника 1, каждая продольная секция которого снабжена равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 окнами 2, 3 для прямой или обратной вентиляции соответственно, где m - мультипликаторный коэффициент - любое натуральное число: m = 1, 2, 3, …, n - число дыхательных контуров, снимаемых с представляемого аппарата ИВЛ. Эти две секции показаны в поперечных разрезах A-A и B-B (фиг. 2). Ротор-золотник 1 скользит внутри двухсекционного статора 4 с одинаковыми продольными секциями. Каждая секция статора снабжена n равномерно распределенными по его окружности окнами 5, 6 угловой величины γ

с подсоединенными к ним n дыхательными контурами. Каждый дыхательный контур в простейшем варианте состоит из трубки вдоха 7 и трубки выдоха 8. Одними концами дыхательные трубки вдоха 7 и выдоха 8 соединены с соответствующими окнами статора 5, 6, а на других концах - замыкаются посредством тройника пациента 9. Обе продольные секции ротора-золотника размещены на несущей круговой пластине 10, которая медленно вращается с малой частотой f, по сравнению с требуемой частотой дыхания, посредством приводного вала 11. Несущая круговая пластина 10 разделяет полости двух секций ротора 1, сообщающихся соответственно с двумя камерами: компрессионной - ресивером 12, - накопительной емкостью сжатой кислородной смеси, предназначенной для принудительной подачи пациентам, и атмосферной 13, сообщающейся с внешней средой для вывода отработанного газа. Компрессионная секция ротора 1 имеет окна 3 угловой величины γ

=nδa/(a+b)-γ

, а атмосферная - окна 2 с углом γ

=nδb/(a+b)-γ

, где a и b - соотношение длительностей вдоха и выдоха, и эти две секции ротора-золотника повернуты друг относительно друга на угол nδa/(a+b) (фиг. 2).

Принцип работы мультипликаторно-золотникового аппарата ИВЛ

Для пояснения принципа работы мультипликаторного золотникового аппарата ИВЛ, анализа переключений компрессионной и атмосферной секций и результирующих давлений в дыхательных путях пациентов служат фиг. 2 и 3. На фиг. 3 изображены временные развертки работы аппарата ИВЛ для соотношения длительностей вдоха-выдоха a/b = 1. Для определенности показан режим прямой вентиляции для аппарата ИВЛ с 4 дыхательными контурами, n = 4. Обратная вентиляция и/или другое число патрубков работают совершенно аналогично.

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

Передние края окон каждой секции ротора-золотника 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися лучами r

(сплошные линии), а передние края окон каждой секции статора 4 - неподвижными лучами s

(штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам окон ротора 1 и окон статора 4.

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

1. Последовательные углы между лучами r

, s

, 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 дыхательных контуров не за полный период вращения ротора-золотника 1, а только за mn+1 или mn-1 его часть.

Работает устройство следующим образом. Для примера рассмотрен режим прямой вентиляции, когда направление вращения импульсов давления на дыхательных контурах совпадает с направлением вращения ротора-золотника. При медленном вращении ротора 1 быстро поочередно открываются (включаются) и закрываются (выключаются) окна компрессионной (сечение A-A) и атмосферной (B-B) секций статора 4 (фиг. 2). Временные развертки для площади открытия окон статора S, соединяющихся с трубками вдоха и выдоха статора, и давлений P в дыхательных путях пациентов для соотношений тактов вдоха-выдоха a/b = 1 изображены на фиг. 3.

Пусть в начальный момент времени включается окно компрессионной секции. Газ под действием градиента давления начинает поступать из компрессионной камеры 12 через окно 5, трубку вдоха 7 на тройник пациента 9 и далее - в его дыхательные пути. Переменная во времени площадь S открывающегося окна 5 статора как функция времени представляет собой меандр, расположенный в положительной полуплоскости (на фиг. 3 отмечен через A-A по обозначению поперечного сечения на фиг. 1, 2). Когда окно 5 компрессионной секции выключается, синхронно включается окно 6 атмосферной секции. Газ под действием перепада давления из дыхательных путей через тройник пациента 9, трубку выдоха 8 и окно 6 выходит в атмосферную камеру 13. Теперь переменная во времени площадь S открывающегося окна 6 статора как функция времени представляет собой меандр в отрицательной полуплоскости (на фиг. 3 помечен как B-B по обозначению соответствующего поперечного сечения на фиг. 1, 2). Такому временному закону площади открытия окон 5, 6 отвечает вполне определенная временная развертка давления на тройнике пациента 9 и в его дыхательных путях P, в том же масштабе времени также представленная на фиг. 3. Это - меандр сжатия, - положительного избыточного давления, сменяющийся нулевым избыточным давлением при переключении компрессионной камеры 12 на атмосферную 13. Для каждого дыхательного контура, например, первого, помеченного на фиг. 3 римской цифрой I, фаза вдоха начинается с нулевого момента времени и заканчивается моментом безразмерного времени (ω/δ)t = 2. Далее с момента времени (ω/δ)t = 2 и до (ω/δ)t = 4 длится фаза выдоха. Процесс периодичен и повторяется с периодом (ω/δ)T = 4. Работа каждого следующего дыхательного контура отстает по фазе на (ω/δ)t =1 от предыдущего. Временные развертки давлений P сразу для всех n дыхательных контуров, n = 4, от I до IV, изображены на фиг. 3.

Отсюда видно, что в общем случае реализуется оверлэпный, или перекрывающийся по соседним контурам, режим работы аппарата ИВЛ с поочередным переключением с вдоха на выдох дыхательного контура одного пациента при повороте ротора на угол γ = γ

+ γ

и переключением с выдоха на вдох дыхательного контура следующего пациента при повороте ротора на угол δ =

(при прямой вентиляции) или на угол δ =

(при обратной) /Свияженинов Е.Д. Мультипликативный золотниковый пульсатор. Патент на изобретение РФ № 2698385. Приоритет 12.10.2018/. При γ= δ реализуется непрерывный режим работы аппарата, при котором периоды работы соседних контуров не перекрываются, а изолированы друг от друга: в момент окончания дыхательного периода какого-либо контура начинается период работы соседнего дыхательного контура. Количественные соотношения, характеризующие непрерывный режим, будут приведены ниже.

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

Технические характеристики мультипликаторного золотникового аппарата ИВЛ. Сводка основных формул

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

Частота дыхания ν определяется исключительно частотой вращения f ротора-золотника:

ν = (mn+1)f - для прямой вентиляции и

ν = (mn-1)f - для обратной.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха a/b определяется конструктивным углом γ, универсальным (зависящим только от чисел m, n, но не от параметров конструкции) углом - δ и числом дыхательных контуров статора n:

a/b = γ/(nδ - γ) ,

b/a= n δ/γ - 1 ,

где γ = γ

+ γ

- 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

+ γ

:

γ= nδ a/(a+b) = nδ/(1+b/a).

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

τ = a/(a+b)/ ν = (γ/δ)/(nν) - для компрессионной секции,

τ = b/(a+b)/ ν = (n − γ/δ)/(nν) - для атмосферной.

Для частного случая непрерывной γ = δ пульсации соответственно имеем:

τ = 1/(nν) - для компрессионной секции,

τ = (n - 1)/(nν) - для атмосферной секции ротора-золотника.

Пример расчета мультипликаторно-золотникового аппарата ИВЛ

Итак, основными характеристиками предложенных аппаратов ИВЛ являются частота дыхания ν и соотношение длительностей вдоха-выдоха a/b на каждом дыхательном контуре пациента.

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

ν = (mn+1)f - для прямой пульсации и

ν = (mn-1)f - для обратной.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха a/b определяется конструктивным углом γ, универсальным (не зависящим от конструктивных углов, но зависящим только от чисел m, n) углом δ и числом дыхательных контуров статора n:

a/b = γ/(nδ - γ) ,

где γ = γ

+ γ

- 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 золотника ротора, для последовательных значений коэффициента мультипликации m = 1, 2, 3. Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров статора составляет 20 тактов в минуту, или ν = .33 Гц, т.е. период дыхания - 3 с. Тогда период вращения T и частота вращения f ротора мультипликаторно-золотникового пульсатора составят:

T = (mn+1)/ν, f = ν/(mn+1).

m 1 2 3

Т, с 15 27 39

f, об/с .066 .037 .025

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 золотника ротора, для последовательных значений мультипликаторного коэффициента m = 1, 2, 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 T и частота вращения f ротора составят:

T = (mn-1)/ν, f = ν/(mn-1).

m 1 2 3

Т, с 15 33 51

f, об/с .066 .030 .020

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 ротора многооконного золотника. Это обусловлено тем, что все время вращения многооконного ротора эффективно расходуется на совершение главной его функции - последовательной генерации импульсов давления на окнах статора, 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 прямое mn+1, и обратное mn-1 распределение, где n - число трактов распределения, равное числу окон статора, m = 1, 2, 3, … - коэффициент мультипликации, mn+1 и mn-1 - числа окон ротора-золотника, - суть «равноправные партнеры, имеющие одинаковые права на существование», т.е. обладающие одинаковой эффективностью. Поэтому по всему тексту они и упоминаются параллельно, как бы «однообразно это не выглядело».

Когда n мало, например, 4, как в первом примере, выгоднее использовать прямое распределение, когда же n велико, например, 6, как во втором примере, - обратное, 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-золотника по поверхности статора, чтобы устранить мощность сил трения и тепловыделение, из-за которых до сих пор вращательные золотники малоупотребительны в машиностроении по сравнению с возвратно-поступательными (начиная с золотников паровых двигателей), несмотря на их большую простоту, надежность и экономичность.

Так приходим к понятию мультипликации, означающему, 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.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха a/b:

a/b = γ/(nδ - γ) ,

где γ = γ

+ γ

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

γ= nδa/(a+b) = nδ/(1+b/a).

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

С увеличением требуемого отношения длительностей вдоха-выдоха a/b конструктивный угол γ = γ

+ γ

растет, ограничиваясь верхним пределом γ= nδ = 4δ. С уменьшением отношения длительностей вдоха-выдоха a/b значения конструктивного угла γ = γ

+ γ

снижаются.

Для непрерывной вентиляции γ= δ, когда дыхательные периоды соседних контуров не перекрываются, а следуют друг за другом, справедливо соотношение:

b = (n - 1) a.

При этом для двухконтурного аппарата ИВЛ n = 2 непрерывная вентиляция дает весьма важный для практики случай a/b = 1.

Выводы. Технический результат

1. Благодаря эффекту мультипликации удается использовать наиболее простые и надежные медленно вращающиеся золотники, обеспечивающие требуемые частоты дыхания. При низких скоростях вращения роторов-золотников подавляется мощность сил трения и тепловыделение, что обуславливает их функциональность. Достигнут оптимальный режим аппарата ИВЛ с вращающимся многооконным ротором-золотником по критерию обслуживания дыхательных контуров.

2. Применено наиболее простое экономичное золотниковое распределение кислородной смеси под небольшим избыточным давлением сразу по нескольким дыхательным контурам.

3. Варьирование частоты дыхания осуществляется путем простого изменения частоты вращения двухсекционного ротора-золотника. Соотношения длительностей вдоха-выдоха определяются выбором суммарной угловой величины окон ротора и статора.

4. Пневматическая энергия расходуется только на питание дыхательных контуров, тогда как активация механизма аппарата ИВЛ осуществляется наиболее простым приводом вращения, что оптимизирует форму кривых давления в дыхательных контурах по критерию купирования дыхательной недостаточности.

5. Предложенное устройство особенно эффективно для реализации высокочастотной ИВЛ с частотой дыхания до 3000 циклов в минуту, когда другие средства затруднительны.

Использованная литература

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

14. Свияженинов Е.Д. Мультипликативный золотниковый пульсатор. Патент на изобретение РФ № 2698385. Приоритет 12.10.2018 (прототип).

Claims (1)

1. Мультипликаторно-золотниковый аппарат искусственной вентиляции легких, включающий неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, и скользящий по его внутренней поверхности ротор, содержащий газ под 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, …, а суммарная угловая величина окон ротора и статора γ = γ

   

   + γ

   

   , где γ

   

   , γ

   

   - угловые величины окон ротора и статора соответственно, должна удовлетворять условию γ

   

   nδ, где δ - универсальная (зависящая только от чисел m, n) характеристика устройства: δ = 2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции, δ = 2π/n/(mn-1) - для обратной, отличающийся тем, что статор и ротор в продольном направлении выполнены двухсекционными, одна секция которых, компрессионная, сообщена со сжатой кислородной смесью, а другая - атмосферная - с внешней средой, при этом обе секции статора имеют n одинаковых окон угловой величины γ

   

   , соединенных с дыхательными трубками вдоха и выдоха, которые на других концах соединены с тройниками пациентов, компрессионная секция ротора имеет окна угловой величины γ

   

   =nδ/(1+b/a)-γ

   

   , а атмосферная - γ

   

   =nδ/(1+a/b)-γ

   

   , где a/b - отношение длительностей вдоха и выдоха, эти секции ротора-золотника повернуты друг относительно друга на угол nδ/(1+b/a) и разделены несущей круговой пластиной, при этом частота вращения ротора составляет f = ν/(mn+1) для прямой вентиляции и f = ν/(mn-1) - для обратной, где ν - требуемая частота дыхания.

Images