RU2747255C1 - Artificial lung ventilation device - Google Patents

Artificial lung ventilation device Download PDF

Info

Publication number
RU2747255C1
RU2747255C1 RU2020139467A RU2020139467A RU2747255C1 RU 2747255 C1 RU2747255 C1 RU 2747255C1 RU 2020139467 A RU2020139467 A RU 2020139467A RU 2020139467 A RU2020139467 A RU 2020139467A RU 2747255 C1 RU2747255 C1 RU 2747255C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
windows
ventilation
stator
patients
Prior art date
Application number
RU2020139467A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Дмитриевич Свияженинов
Original Assignee
Евгений Дмитриевич Свияженинов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Дмитриевич Свияженинов filed Critical Евгений Дмитриевич Свияженинов
Priority to RU2020139467A priority Critical patent/RU2747255C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2747255C1 publication Critical patent/RU2747255C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H31/00Artificial respiration or heart stimulation, e.g. heart massage
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/12Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid
    • F16K31/18Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid actuated by a float
    • F16K31/30Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid actuated by a float actuating a gate valve or sliding valve

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Percussion Or Vibration Massage (AREA)

Abstract

FIELD: medical technology.SUBSTANCE: invention relates to medical technology, namely to an artificial lung ventilation device designed for simultaneous ventilation of up to n patients. The device includes a stationary stator equipped with n evenly distributed along the circle windows of angular magnitude γswith n inhalation tubes connected to them for each of the n patients. The device has a rotor made with the possibility of sliding along its inner surface, containing a compressed oxygen-air mixture under excessive pressure, equipped with mn+1 or mn-1 windows evenly distributed along the circle for direct or reverse ventilation, respectively, of the angular value γr=nδ/(1+1/α)-γs, where m is the multiplication factor - any natural number: m=1, 2, 3, … , δ - a device characteristic that depends only on the numbers m and n: δ=2π/n/(mn+1) - for direct ventilation, δ=2π/n/(mn - 1) - for reverse ventilation, α - the ratio of the duration of inhalation and exhalation. In this case, the rotor speed is f=ν/(mn+1) for direct ventilation, when the directions of rotation of the rotor and the supply of oxygen-air mixture coincide, and f=ν/(mn-1) - for the reverse ventilation, when these directions are opposite, where ν is the required respiratory rate. The stator is made in the form of a compression chamber-receiver, connected to the lower open end of the rotor. The upper end of the rotor is closed by a bearing circular plate - a power element that transmits torque to the rotor from the drive shaft, which rotates at a low frequency f, compared to the breathing frequency ν. The oxygen-air mixture from the receiver can enter the inhalation tubes only when the mn+1 or mn-1 windows of the rotor and n windows of the stator overlap, these stator windows on its outer surface are equipped with flaps regulating the height of these windows. The n inhalation breathing tubes connected to the n windows of the stator, individually designed for n patients, are equipped at the other ends with non-reversible valves designed to allow patients to exhale into the atmosphere.EFFECT: technical result is the expansion of functionality, simplification of the design and increasing the reliability of the device.2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к механической вентиляции дыхательной системы больных в условиях нехватки имеющихся аппаратов ИВЛ при вспышках пандемий и других чрезвычайных ситуаций. Аппарат искусственной вентиляции легких (ИВЛ) - это очень дорогостоящее высокотехнологичное медицинское оборудование, предназначенное для принудительной подачи воздушной смеси, содержащей кислород, в легкие пациентов с целью насыщения крови кислородом и удаления из них углекислого газа /Царенко С.В. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007; Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986; Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С. Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978; Горячев А.С., Савин И.А. Основы ИВЛ. Руководство для врачей. Москва, 2019; Сатишур О.Е. Механическая вентиляция легких. Москва, 2006; Кассиль В.Л., Выжигина М.А., Лескин Г.С. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких Москва, 2004; Лебединский К.М., Мазурок В.А., Нефедов А.В. Основы респираторной поддержки. СПб, 2008; Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006; Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002; Papadakos P.J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology, 2008; Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition, 2006; Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill, 2013; MacIntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009; Chatbum R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition, 2004/.The invention relates to medicine, namely to mechanical ventilation of the respiratory system of patients in the absence of available ventilators during outbreaks of pandemics and other emergencies. A mechanical ventilation apparatus (IVL) is a very expensive high-tech medical equipment designed for forced supply of an air mixture containing oxygen to the lungs of patients in order to saturate the blood with oxygen and remove carbon dioxide from them / Tsarenko S.V. Practical course of mechanical ventilation. Moscow, 2007; Burlakov R.I., Galperin Yu.Sh., Yurevich V.M. Artificial ventilation of the lungs (principles, methods, equipment). Moscow, 1986; Zilber A.P., Bogoyavlensky I.F., Galperin Yu.Sh., Uvarov B.S. Artificial respiration. Great Medical Encyclopedia, vol. 9. Moscow, 1978; Goryachev A.S., Savin I.A. Fundamentals of mechanical ventilation. A guide for doctors. Moscow, 2019; Satishur O.E. Mechanical ventilation of the lungs. Moscow, 2006; Kassil V.L., Vyzhigina M.A., Leskin G.S. Artificial and assisted ventilation of the lungs Moscow, 2004; Lebedinsky K.M., Mazurok V.A., Nefedov A.V. Respiratory support basics. SPb, 2008; Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006; Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002; Papadakos P. J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology, 2008; Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition, 2006; Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill, 2013; MacIntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009; Chatbum R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition, 2004 /.

Целью изобретения является создание очень недорогого простого надежного аппарата ИВЛ, работающего в режиме принудительного дыхания по времени, призванного восполнить внезапный недостаток штатного оборудования при катастрофических пандемиях, приводящих к массовой дыхательной недостаточности населения. Главной особенностью предлагаемого устройства является возможность одновременного подключения к одному аппарату ИВЛ сразу нескольких пациентов как без риска их перекрестного заражения, так и заражения самого аппарата.The aim of the invention is to create a very inexpensive, simple, reliable ventilator operating in the forced breathing mode in time, designed to compensate for the sudden lack of standard equipment in catastrophic pandemics leading to mass respiratory failure of the population. The main feature of the proposed device is the ability to simultaneously connect several patients to one ventilator at once, both without the risk of cross-contamination or contamination of the device itself.

Аппараты, позволяющие успешно проводить ИВЛ одновременно нескольким пациентам, экстренно были созданы в 2020 г. в Российской Федерации благодаря наличию бактерицидных фильтров, обеспечивающих 99,9% защиту от бактерий и вирусов /Электронный ресурс https://www.interfax.ru/russia/701318/. Перед госкорпорацией Ростех была поставлена задача рассмотреть возможность разработки опытных образцов одноразовых комплектов контуров вентиляции легких для двух, трех или четырех пациентов по аналогу зарубежных. Разработка представляет собой систему одноразовых дыхательных контуров, переходников и фильтров для вентиляции легких до четырех пациентов, исключающую перекрестное заражение между ними /Электронный ресурс https://tass.ru/ekonomika/8104865/.Devices that allow to successfully conduct mechanical ventilation simultaneously to several patients were urgently created in 2020 in the Russian Federation due to the presence of bactericidal filters that provide 99.9% protection against bacteria and viruses / Electronic resource https://www.interfax.ru/russia/ 701318 /. The state corporation Rostec was tasked with considering the possibility of developing prototypes of disposable sets of lung ventilation circuits for two, three or four patients, similar to foreign ones. The development is a system of disposable breathing circuits, adapters and filters for ventilation of the lungs of up to four patients, excluding cross-contamination between them / Electronic resource https://tass.ru/ekonomika/8104865/.

Создание недорогих «многоместных» аппаратов ИВЛ - мера вынужденная, на случай «наихудшего сценария» массовой нехватки дорогостоящего оборудования, каким являются современные аппараты ИВЛ. Аппарат ИВЛ настраивается под объем легких, сопротивление дыхательных путей и податливость легких и грудной клетки. Разумеется, подключать к одному аппарату ИВЛ следует пациентов с примерно одинаковым объемом легких, руководствуясь принципом «не навреди». Для более тонкой настройки предусмотрены заслонки окон статора перед шлангом вдоха, выполняющие также функции заглушки дыхательного контура для его отключения при отсутствии пациента.The creation of inexpensive "multi-seat" ventilators is a forced measure, in the event of a "worst-case scenario" of a mass shortage of expensive equipment, such as modern ventilators. The ventilator adjusts for lung volume, airway resistance, and lung and chest compliance. Of course, patients with approximately the same lung volume should be connected to the same ventilator, guided by the “do no harm” principle. For more fine tuning, there are stator window dampers in front of the inspiratory hose, which also function as a plug for the breathing circuit to shut it off in the absence of a patient.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности является мультипликаторно-золотниковый аппарат ИВЛ, принятый за прототип /Свияженинов Е.Д. Мультипликаторно-золотниковый аппарат ИВЛ. Патент на изобретение РФ №2735759. Приоритет 12.05.2020/. Устройство по прототипу включает неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, через которые дыхательные контуры подводят кислородно-воздушную смесь к n пациентам. По внутренней поверхности статора медленно скользит равномерно вращающийся полый ротор, содержащий кислородно-воздушную смесь под требуемым для механической вентиляции легких избыточным давлением, снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной вентиляции соответственно, где m - коэффициент мультипликации - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …. Благодаря этому частота вращения ротора в mn+1 или mn-1 раз меньше требуемой частоты дыхания пациентов. Это абсолютно необходимо для подавления мощности сил трения скольжения ротора по внутренней поверхности статора и тепловыделения. Порции кислородно-воздушной смеси по n дыхательным контурам, расположенным по окружности аппарата ИВЛ, поступают к n пациентам. При варианте исполнения устройства с mn+1 окнами ротора последовательность работы дыхательных контуров статора совпадает с направлением вращения ротора - прямая вентиляция. При варианте устройства с mn-1 окнами ротора последовательность работы дыхательных контуров статора противоположна направлению вращения ротора - обратная вентиляция. Вращающийся золотник выполняет функции скользящих клапанов - наиболее простое, надежное и недорогое устройство. В отличие от возвратно-поступательных движений, традиционно используемых в золотниковых устройствах, равномерное вращение полностью лишено их недостатков: возникновения инерционных сил и зон залипания золотника в окрестности его нулевых скоростей.The closest to the present invention in technical essence is a multiplier-spool ventilator adopted as a prototype / Sviyazheninov E.D. Multiplier-spool ventilator. Patent for invention of the Russian Federation No. 2735759. Priority 05/12/2020 /. The prototype device includes a stationary stator equipped with n windows evenly distributed around the circumference through which breathing circuits supply the oxygen-air mixture to n patients. A uniformly rotating hollow rotor slowly slides along the inner surface of the stator, containing an oxygen-air mixture under the excess pressure required for mechanical ventilation of the lungs, equipped with mn + 1 or mn-1 evenly distributed around the circumference of the windows for direct or reverse ventilation, respectively, where m is the multiplication coefficient - any natural number: m = 1, 2, 3,…. Due to this, the rotor speed is mn + 1 or mn-1 times less than the required respiratory rate of patients. This is absolutely necessary to suppress the power of the sliding frictional forces of the rotor along the inner surface of the stator and heat generation. Portions of the oxygen-air mixture through n breathing circuits located around the circumference of the ventilator are delivered to n patients. In the version of the device with mn + 1 rotor windows, the sequence of operation of the stator breathing circuits coincides with the direction of rotation of the rotor - direct ventilation. In the variant of the device with mn-1 rotor windows, the sequence of operation of the stator breathing circuits is opposite to the direction of rotation of the rotor - reverse ventilation. The rotary spool acts as a sliding valve - the simplest, most reliable and inexpensive device. In contrast to the reciprocating movements traditionally used in spool devices, uniform rotation is completely devoid of their disadvantages: the occurrence of inertial forces and sticking zones of the spool in the vicinity of its zero speeds.

В прототипе оба клапана дыхательного контура - вдоха и выдоха, - активны, поскольку управляются вращающимся ротора. Поэтому дыхательные трубки выдоха подводятся к атмосферной секции аппарата ИВЛ, нагружая бактерицидные фильтры во избежание риска заражения аппарата. В предлагаемом устройстве такая проблема полностью решена.In the prototype, both valves of the breathing circuit - inhalation and exhalation - are active because they are controlled by a rotating rotor. Therefore, expiratory breathing tubes are routed to the atmospheric section of the ventilator, loading the germicidal filters to avoid the risk of contamination of the ventilator. In the proposed device, this problem is completely solved.

Указанная проблема решается тем, что клапаны вдоха - активны, а выдоха - пассивны: дыхательные трубки вдоха снабжены нереверсивными клапанами. При вдохе порции кислородно-воздушной смеси из аппарата ИВЛ через трубки вдоха поступают в дыхательные пути пациентов, а выдох из нереверсивных клапанов сразу уходит в атмосферу, на удалении от аппарата ИВЛ, с заданными частотой и соотношением длительностей вдоха-выдоха. Таким образом, смесь выдоха назад в шланг не поступает - "реверса" нет. Отпадает необходимость в шланге выдоха дыхательного контура, который в этом варианте становится одношланговым, с коробкой нереверсивного клапана на конце. Пациент может сделать самостоятельный вдох из атмосферы через отверстие выдоха нереверсивного клапана. В состав клапанной коробки входит предохранительный клапан, который открывается при выбранном пороговом давлении (например, 50 см.вод.ст., во избежание баротравмы пациента) и "сбрасывает" избыточное давление в атмосферу. К отверстию выдоха клапанной коробки может быть присоединен клапан ПДКВ (положительного давления конца выдоха). Помимо расширения функциональности упрощается конструкция устройства, повышается его надежность и снижается стоимость.This problem is solved by the fact that the inhalation valves are active, and the exhalation valves are passive: the inhalation tubes are equipped with non-reversible valves. When inhaling, portions of the oxygen-air mixture from the ventilator through the inhalation tubes enter the patient's airways, and exhalation from the non-reversible valves immediately goes into the atmosphere, at a distance from the ventilator, with a given frequency and ratio of inhalation-exhalation durations. Thus, the exhalation mixture does not flow back into the hose - there is no "reverse". There is no need for an exhalation hose for the breathing circuit, which in this version becomes a single hose with a non-reversing valve box at the end. The patient can inhale spontaneously from the atmosphere through the expiratory opening of the non-reversing valve. The valve box includes a safety valve that opens at a selected threshold pressure (for example, 50 cm of water column, in order to avoid barotrauma of the patient) and "releases" excess pressure into the atmosphere. A PEEP (positive end-expiratory pressure) valve can be connected to the expiratory opening of the valve box. In addition to expanding functionality, the design of the device is simplified, its reliability is increased and the cost is reduced.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез аппарата ИВЛ, на фиг. 2 - поперечные разрезы по сечению А-А аппарата ИВЛ для четырех пациентов, n=4, для последовательных коэффициентов мультипликации m=1, 2, 3, …, для прямой вентиляции, на фиг. 3 - поперечные разрезы по сечению А-А аппарата ИВЛ для шести пациентов, n=6, для последовательных коэффициентов мультипликации m=1, 2, 3, …, для обратной вентиляции, на фиг. 4 - временные развертки площади перекрытия S четырех окон статора, n=4, соединяющихся с 4 трубками вдоха, и окон ротора, выполняющих функцию скользящих клапанов, на фиг. 5 - временные развертки в том же масштабе времени давлений Р в дыхательных путях четырех пациентов, n=4, для выбранного в качестве примера соотношения длительностей вдоха-выдоха 1:3.The stated essence is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a longitudinal section of the ventilator, FIG. 2 - cross-sections along the section A-A of the ventilator for four patients, n = 4, for successive multiplication factors m = 1, 2, 3, ..., for direct ventilation, in Fig. 3 - cross sections along the section A-A of the ventilator for six patients, n = 6, for successive multiplication factors m = 1, 2, 3, ..., for reverse ventilation, in Fig. 4 - time scans of the overlap area S of four stator windows, n = 4, connected to 4 inhalation tubes, and rotor windows, which function as sliding valves, in Fig. 5 is a time base on the same time scale of the airway pressures P in four patients, n = 4, for an exemplary 1: 3 inspiratory-expiratory ratio.

Схема аппарата ИВЛVentilator diagram

Аппарат искусственной вентиляции легких (фиг. 1) состоит из ротора 1, боковая поверхность которого снабжена равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 окнами 2 для прямой (фиг. 2) или обратной (фиг. 3) вентиляции соответственно, где m - мультипликаторный коэффициент - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …, n - число дыхательных контуров, отходящих от аппарата ИВЛ к n пациентам и равномерно расположенных по его периметру. Ротор 1 вращается внутри статора 3, боковая поверхность которого снабжена n равномерно распределенными по окружности окнами 4 угловой величины γ, с подсоединяемыми к ним n дыхательными контурами. Окна статора на его наружной поверхности снабжены регулирующими высоту этих окон перемещающимися в осевом направлении заслонками 5, вплоть до полной заглушки окон для отключения каких-либо дыхательных контуров при отсутствии некоторых из n пациентов. Каждый дыхательный контур состоит из трубки, или шланга, вдоха 6 и нереверсивного клапана 7.The artificial lung ventilation apparatus (Fig. 1) consists of a rotor 1, the lateral surface of which is equipped with windows 2 evenly distributed around the circumference mn + 1 or mn-1 for direct (Fig. 2) or reverse (Fig. 3) ventilation, respectively, where m - multiplier coefficient - any natural number: m = 1, 2, 3,…, n - the number of respiratory circuits extending from the ventilator to n patients and evenly spaced around its perimeter. The rotor 1 rotates inside the stator 3, the lateral surface of which is equipped with n uniformly distributed around the circumference windows 4 of the angular value γ, with n breathing circuits connected to them. The stator windows on its outer surface are equipped with axially moving dampers 5 adjusting the height of these windows, up to a complete plug of the windows to turn off any breathing circuits in the absence of some of the n patients. Each breathing circuit consists of a tube, or hose, inhalation 6 and a non-reversing valve 7.

Таким образом, n трубок вдоха 6 одними концами соединены с соответствующими n окнами статора 4, а другими - с n нереверсивными клапанами 7, обеспечивающими n пациентов кислородно-воздушной смесью через патрубки пациента 8 посредством интубационных трубок при инвазивной ИВЛ и лицевых масок - при неинвазивной.Thus, n inhalation tubes 6 are connected with one end to the corresponding n windows of the stator 4, and the other with n non-reversible valves 7, which provide n patients with an oxygen-air mixture through the patient's nozzles 8 through endotracheal tubes for invasive ventilation and face masks for non-invasive ventilation.

Нереверсивный клапан 7, или клапанная коробка, предназначен для направления по разным каналам вдыхаемого и выдыхаемого потоков воздуха и работает следующим образом /Царенко С.В. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007; Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986; Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С. Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978/. При искусственном вдохе кислородно-воздушная смесь под давлением через шланг 6 и клапанную коробку 7 из патрубка 8 поступает в дыхательные пути пациента. При искусственном выдохе повышенное давление перед клапанной коробкой 7 исчезает, и отработанный воздух из дыхательных путей пациента через выходной патрубок 9 нереверсивного клапана 6 уходит в атмосферу. Таким образом, смесь выдоха назад в шланг вдоха 6 не поступает - "реверса" нет. Пациент может сделать самостоятельный вдох из атмосферы через патрубок выдоха 9. В состав клапанной коробки 7 входит предохранительный клапан, который открывается при определенном пороговом давлении и "сбрасывает" превышенное давление в атмосферу. К отверстию выдоха клапанной коробки 9 может быть присоединен клапан положительного давления конца выдоха.The non-reversing valve 7, or the valve box, is designed to direct the inhaled and exhaled air flows through different channels and works as follows / Tsarenko S.V. Practical course of mechanical ventilation. Moscow, 2007; Burlakov R.I., Galperin Yu.Sh., Yurevich V.M. Artificial ventilation of the lungs (principles, methods, equipment). Moscow, 1986; Zilber A.P., Bogoyavlensky I.F., Galperin Yu.Sh., Uvarov B.S. Artificial respiration. Great Medical Encyclopedia, vol. 9. Moscow, 1978 /. During artificial inhalation, the oxygen-air mixture under pressure through the hose 6 and the valve box 7 from the nozzle 8 enters the patient's respiratory tract. During artificial exhalation, the increased pressure in front of the valve box 7 disappears, and the exhaust air from the patient's respiratory tract through the outlet 9 of the non-reversing valve 6 goes into the atmosphere. Thus, the exhalation mixture does not flow back into the inhalation hose 6 - there is no "reverse". The patient can make a spontaneous inhalation from the atmosphere through the exhalation branch pipe 9. The valve box 7 includes a safety valve that opens at a certain threshold pressure and "releases" the excess pressure into the atmosphere. An end-expiratory positive pressure valve can be connected to the exhalation port of the valve housing 9.

В осевом направлении (фиг. 1) ротор 1 представляет собой полый вращающийся барабан. Одна торцевая поверхность ротора снабжена несущей круговой пластиной 10 - силовым элементом, передающим крутящий момент ротору 1 от приводного вала 11, вращающегося с малой частотой f, по сравнению с частотой дыхания ν. Другой торец ротора открыт. Этим открытым торцом полый ротор сообщается с компрессионной камерой-ресивером 12, - накопительной емкостью сжатой кислородно-воздушной смеси, предназначенной для принудительной подачи пациентам. Компрессионная камера-ресивер выполняется достаточно емкой для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей кислородно-воздушной смеси и прерывистым расходом ее. Боковая наружная поверхность ротора медленно скользит по внутренней поверхности статора с малым трением. Окна ротора 2 периодически перекрывают окна статора 4, обеспечивая доступ кислородно-воздушной смеси в шланги вдоха 6 под требуемым давлением, которая и поступает далее в нереверсивный клапан 7 и через патрубок пациента 8 - в его дыхательные пути. Отработанный воздух, содержащий углекислый газ, выводится через патрубок выдоха 9.In the axial direction (Fig. 1), the rotor 1 is a hollow rotating drum. One end surface of the rotor is equipped with a bearing circular plate 10 - a power element that transmits torque to the rotor 1 from the drive shaft 11 rotating at a low frequency f compared to the breathing frequency ν. The other end of the rotor is open. With this open end, the hollow rotor communicates with the compression chamber-receiver 12, a storage tank of the compressed oxygen-air mixture intended for forced supply to patients. The compression chamber-receiver is large enough to smooth out pressure fluctuations caused by the pulsating supply of the oxygen-air mixture and its intermittent flow. The lateral outer surface of the rotor slides slowly over the inner surface of the stator with low friction. The windows of the rotor 2 periodically overlap the windows of the stator 4, providing access to the oxygen-air mixture into the inhalation hoses 6 under the required pressure, which flows further into the non-reversing valve 7 and through the patient's nozzle 8 into his airways. Exhaust air containing carbon dioxide is discharged through the exhalation port 9.

Пусть требуется создать частоту дыхания v с соотношением длительностей вдоха и выдоха α=a/b.Let it be required to create a respiratory rate v with the ratio of the durations of inhalation and exhalation α = a / b.

Тогда частота вращения ротора должна составлять f=ν/(mn+1) или f=ν/(mn-1) - для соответствующего числа окон mn+1 или mn-1 на его боковой поверхности. В первом случае последовательность работы дыхательных контуров совпадает с направлением вращения ротора - прямая вентиляция, а во втором - противоположно ему, - обратная вентиляция. Окна ротора должны быть угловой величины γr=nδ/(1+1/α)-γs, где α - соотношение вдоха и выдоха, а γs, как указано выше, - угловая величина окон статора.Then the rotor speed should be f = ν / (mn + 1) or f = ν / (mn-1) - for the corresponding number of windows mn + 1 or mn-1 on its lateral surface. In the first case, the sequence of operation of the breathing circuits coincides with the direction of rotation of the rotor - forward ventilation, and in the second - opposite to it - reverse ventilation. The rotor windows must have an angular value γ r = nδ / (1 + 1 / α) -γ s , where α is the ratio of inhalation and exhalation, and γ s , as indicated above, is the angular value of the stator windows.

Принцип работы аппарата ИВЛHow the ventilator works

Принцип работы аппарата ИВЛ заключается в том, что медленно вращающийся ротор быстро последовательно включает (период вдоха) и выключает (период выдоха) подачу кислородно-воздушной смеси к каждому пациенту. Применены полуоткрытые одношланговые дыхательные контуры: одним концом дыхательные трубки подключаются к источнику кислородно-воздушной смеси, другим - к нереверсивному клапану. На период вдоха скользящие клапаны ротора открывают шлангу доступ к компрессионной камере-ресиверу, и кислородно-воздушная смесь через этот шланг поступает в дыхательные пути пациента, на период выдоха - закрывают, и отработанная воздушная смесь из выходного отверстия нереверсивного клапана уходит в атмосферу, т.е. смесь выдоха назад в шланг не поступает.The principle of operation of the ventilator is that a slowly rotating rotor quickly turns on (inspiratory period) and turns off (expiratory period) the supply of oxygen-air mixture to each patient. Semi-open single-hose breathing circuits are used: one end of the breathing tubes is connected to the source of the oxygen-air mixture, the other to the non-reversing valve. For the period of inhalation, the sliding valves of the rotor open the hose to the compression chamber-receiver, and the oxygen-air mixture through this hose enters the patient's respiratory tract, for the period of exhalation, it is closed, and the spent air mixture from the outlet of the non-reversing valve escapes into the atmosphere, i.e. e. the expiratory mixture does not flow back into the hose.

Для пояснения принципа работы скользящих клапанов вращающегося золотника и анализа переключений вдоха-выдоха служат фиг. 2 - для прямой вентиляции и фиг. 3 - для обратной. На фиг. 4, 5 изображены временные развертки площади открытия окон статора S и результирующих давлений в дыхательных путях пациентов Р для соотношения длительностей вдоха-выдоха α=а/b=1/3. Здесь для определенности показан режим прямой вентиляции для аппарата ИВЛ, рассчитанного на четырех пациентов, т.е. с 4 дыхательными контурами, n=4. Обратная вентиляция и/или другое число контуров работают совершенно аналогично.To illustrate the principle of operation of the sliding valves of the rotary valve and to analyze the inspiratory-expiratory switchings, FIGS. 2 for direct ventilation and FIG. 3 - for reverse. FIG. 4, 5 show the time sweep of the opening area of the stator windows S and the resulting pressures in the airways of patients P for the ratio of the durations of inhalation-exhalation α = a / b = 1/3. Here, for the sake of clarity, the direct ventilation mode is shown for a ventilator designed for four patients, i.e. with 4 breathing circuits, n = 4. Reverse ventilation and / or a different number of circuits work in exactly the same way.

Направление вращения ротора 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f (фиг. 2, 3). Далее f будет обозначать также частоту вращения ротора 1. Угловая частота вращения ротора 1 обозначена через ω и составляет ω=2πf.The direction of rotation of the rotor 1 is shown by a circular arrow marked with the letter f (Figs. 2, 3). Further, f will also denote the rotational speed of the rotor 1. The angular rotational speed of the rotor 1 is denoted by ω and is ω = 2πf.

Передние края окон ротора 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися лучами ri (сплошные линии), а передние края окон статора 4 - неподвижными лучами sj (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам окон ротора 2 и окон статора 4.The front edges of the windows of the rotor 1 in the course of its rotation are denoted by rotating beams r i (solid lines), and the front edges of the stator windows 4 - by fixed beams s j (dashed lines), with indices i, j corresponding to the ordinal numbers of the rotor windows 2 and stator windows four.

Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из фиг. 2, 3 состоит в том, что:A key feature of the proposed circuit, as seen in FIG. 2, 3 is that:

1. Последовательные углы между лучами ri, si, i=2, 3, 4… составляют (i-1)δ, т.е. образуют натуральную последовательность (1, 2, 3, …)δ.1. Consecutive angles between the rays r i , s i , i = 2, 3, 4 ... are (i-1) δ, i.e. form a natural sequence (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.2. The rotating device has an axial symmetry of mn + 1 or mn-1 order, i. E. when it is rotated around the axis of rotation by an angle of 2π / (mn + 1) or an angle of 2π / (mn-1), respectively, it coincides with itself.

Именно эти два обстоятельства эффективно обеспечивают полный цикл равномерной последовательной работы всех n дыхательных контуров не за полный период вращения ротора-золотника 1, а только за mn+1 или mn-1 его часть.It is these two circumstances that effectively ensure the full cycle of uniform sequential operation of all n breathing circuits, not for the full period of rotation of the spool rotor 1, but only for mn + 1 or mn-1 part of it.

Работает устройство следующим образом. Кислородно-воздушная смесь из компрессионной камеры- ресивера 12 может поступать в трубки вдоха 6 только при взаимном перекрытии окон ротора 2 и статора 4 - назовем это открыванием, или включением, окон статора. В противном случае окна статора закрыты, или выключены. При вращении ротора 1 поочередно открываются (включаются) и закрываются (выключаются) окна статора, регулируя фазы вдоха (фиг. 2, 3). Временные развертки для площади открытия окон статора S, соединяющихся с трубками вдоха, и давлений Р в дыхательных путях пациентов для соотношений циклов вдоха-выдоха α=а/b=1/3 изображены на фиг. 4, 5 соответственно.The device works as follows. The oxygen-air mixture from the compression chamber-receiver 12 can enter the inhalation tubes 6 only when the windows of the rotor 2 and the stator 4 overlap - let's call this opening, or turning on, the stator windows. Otherwise, the stator windows are closed or turned off. When the rotor 1 rotates, the stator windows are opened (turned on) and closed (turned off) in turn, adjusting the inhalation phases (Figs. 2, 3). The time sweeps for the opening area of the stator windows S connected to the inspiratory tubes and the pressures P in the patient's airways for the ratio of the inhalation-exhalation cycles α = a / b = 1/3 are shown in Fig. 4, 5, respectively.

Пусть в начальный момент времени включается I окно статора (фиг. 2). Кислородно-воздушная смесь под действием градиента давления начинает поступать из компрессионной камеры- ресивера 12 через трубку вдоха 6 и клапанную коробку 7 на патрубок пациента 8 и далее - в его дыхательные пути. Переменная во времени площадь S открывающегося окна статора как функция времени представляет собой трапецию, изображенную на фиг. 4. Когда окно статора выключается, кислородно-воздушная смесь в трубку вдоха 6 не поступает, и начинается фаза выдоха. Отработанный воздух под действием перепада давления из дыхательных путей пациента через патрубок 8 и патрубок выдоха 9 нереверсивного клапана 7 выходит в атмосферу.Let the stator window I turn on at the initial moment of time (Fig. 2). The oxygen-air mixture under the action of a pressure gradient begins to flow from the compression chamber-receiver 12 through the inhalation tube 6 and the valve box 7 to the patient's nozzle 8 and then to his respiratory tract. The time-varying area S of the opening stator window as a function of time is the trapezoid shown in FIG. 4. When the stator window is turned off, the oxygen-air mixture does not enter the inhalation tube 6, and the exhalation phase begins. The exhaust air under the influence of the pressure drop from the patient's respiratory tract through the nozzle 8 and the exhalation nozzle 9 of the non-reversing valve 7 is released into the atmosphere.

Такому временному закону площади открытия окон статора (фиг. 4) отвечает вполне определенная временная развертка давления в дыхательных путях пациента Р, в том же масштабе времени представленная на фиг. 5. Это - быстрый рост положительного избыточного давления, замедляющийся в процессе наполнения легких, сменяющийся падением давления после начала выдоха. Для каждого дыхательного контура, например, первого, помеченного на фиг. 4, 5 римской цифрой I, фаза вдоха начинается с нулевого момента времени и заканчивается моментом безразмерного времени (ω/δ)t=1. Далее с момента времени (ω/δ)t=1 до (ω/δ)t=4 длится фаза выдоха. Процесс периодичен и повторяется с периодом (ω/δ)Т=4. Работа каждого следующего дыхательного контура отстает по фазе на (ω/δ)t=1 от предыдущего. Временные развертки площади открытия окон статора S давлений Р сразу для всех n дыхательных контуров, n=4, от I до IV, изображены на фиг. 4, 5 соответственно.Such a time law of the area of opening of the stator windows (Fig. 4) corresponds to a well-defined time base of the pressure in the patient's airways P, on the same time scale shown in Fig. 5. This is a rapid increase in positive excess pressure, slowing down during filling of the lungs, followed by a drop in pressure after the start of exhalation. For each breathing circuit, for example the first one marked in FIG. 4, 5 in Roman numeral I, the inspiration phase begins from the zero point in time and ends with the moment of dimensionless time (ω / δ) t = 1. Further, from the moment of time (ω / δ) t = 1 to (ω / δ) t = 4, the exhalation phase lasts. The process is periodic and repeats with a period (ω / δ) T = 4. The work of each next breathing circuit lags behind in phase by (ω / δ) t = 1 from the previous one. Time scans of the area of opening of the stator windows S of pressures P for all n breathing circuits, n = 4, from I to IV, are shown in Fig. 4, 5, respectively.

При работе аппарата ИВЛ переключение с вдоха на выдох дыхательного контура каждого пациента происходит при повороте ротора на угол γ=γrs. Вдох каждого следующего пациента относительно предыдущего начинается при повороте ротора на угол

Figure 00000001
при прямой вентиляции в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора, или на угол
Figure 00000002
при обратной вентиляции в направлении, противоположном направлению вращения ротора. Физический смысл угла δ следующий: при γ=δ реализуется непрерывный режим работы аппарата ИВЛ, в котором периоды вдоха соседних контуров не перекрываются, а непрерывно следуют друг за другом: в момент окончания периода вдоха какого-либо контура начинается период вдоха соседнего дыхательного контура. Количественные соотношения, характеризующие непрерывный режим, будут приведены ниже.When the ventilator is operating, switching from inhalation to exhalation of the breathing circuit of each patient occurs when the rotor is turned through an angle γ = γ r + γ s . The inhalation of each next patient relative to the previous one begins when the rotor is turned at an angle
Figure 00000001
with direct ventilation in the direction coinciding with the direction of rotation of the rotor, or at an angle
Figure 00000002
with reverse ventilation in the opposite direction to the direction of rotation of the rotor. The physical meaning of the angle δ is as follows: when γ = δ, a continuous mode of operation of the ventilator is realized, in which the periods of inhalation of adjacent circuits do not overlap, but continuously follow each other: at the end of the inhalation period of any circuit, the inhalation period of the adjacent breathing circuit begins. The quantitative ratios characterizing the continuous mode will be given below.

Соответствующие временные развертки для других соотношений длительностей вдоха-выдоха, отличных от 1/3, могут быть построены аналогично.Corresponding time bases for other ratios of inspiratory-expiratory duration, other than 1/3, can be constructed in a similar way.

Технические характеристики аппарата ИВЛ. Сводка основных формулTechnical characteristics of the ventilator. Summary of basic formulas

Главными характеристиками аппаратов ИВЛ являются частота дыхания ν и соотношение длительностей вдоха-выдоха α=a/b на каждом дыхательном контуре. Отметим, что отношение длительностей вдоха-выдоха а/b в англоязычной литературе традиционно обозначается через i/e (от англ. "inspiration, inhalation" - вдох, "expiration, exhalation " - выдох).The main characteristics of ventilators are the respiratory rate ν and the ratio of the durations of inspiration-expiration α = a / b on each breathing circuit. Note that the ratio of the durations of inhalation-exhalation a / b in the English-language literature is traditionally denoted by i / e (from the English "inspiration, inhalation" - inhalation, "expiration, exhalation" - exhalation).

Частота дыхания v определяется исключительно частотой вращения f ротора:The respiratory rate v is determined exclusively by the rotor speed f:

ν=(mn+1)f - для прямой вентиляции иν = (mn + 1) f - for direct ventilation and

ν=(mn-1)f - для обратной.ν = (mn-1) f - for inverse.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха α=a/b определяется конструктивным углом γ, универсальным, зависящим только от чисел m, n, но не от параметров конструкции, углом δ и числом окон статора n, равным числу дыхательных контуров аппарата ИВЛ:The ratio of the durations of inhalation-exhalation α = a / b is determined by the design angle γ, universal, depending only on the numbers m, n, but not on the design parameters, the angle δ and the number of stator windows n equal to the number of breathing circuits of the ventilator:

α=а/b=γ/(nδ-γ),α = a / b = γ / (nδ-γ),

1/α=b/a=n δ/γ-1,1 / α = b / a = n δ / γ-1,

где γ=γrs - суммарная угловая величина окон ротора и статора,where γ = γ r + γ s is the total angular value of the rotor and stator windows,

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

δ=2π/n/(mn-1) - для обратной,δ = 2π / n / (mn-1) - for inverse,

откуда следует формула для выбора конструктивного угла γ=γrs:whence follows the formula for choosing the constructive angle γ = γ r + γ s :

γ=nδ/(1+1/δ).γ = nδ / (1 + 1 / δ).

Время замкнутого состояния τ (время перекрытия окон ротора и статора) составляет:The closed state time τ (the time of overlapping the rotor and stator windows) is:

τ=1/(1+1/α)/ν=(γ/δ)/(nν).τ = 1 / (1 + 1 / α) / ν = (γ / δ) / (nν).

Для частного случая непрерывной γ=δ вентиляции имеем:For the particular case of continuous γ = δ ventilation we have:

τ=1/(nν).τ = 1 / (nν).

Пример расчета аппарата ИВЛAn example of calculating a ventilator

Итак, основными характеристиками аппаратов ИВЛ являются частота дыхания v и соотношение длительностей вдоха-выдоха α=а/b на каждом дыхательном контуре пациента.So, the main characteristics of ventilators are the respiratory rate v and the ratio of the durations of inspiration-expiration α = a / b on each patient's breathing circuit.

Частота дыхания ν определяется частотой вращения f ротора, которая допускает простое изменение в рабочем режиме:The respiration rate ν is determined by the rotor speed f, which allows a simple change in the operating mode:

ν=(mn+1)f - для прямой вентиляции иν = (mn + 1) f - for direct ventilation and

ν=(mn-1)f - для обратной.ν = (mn-1) f - for inverse.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха α=а/b определяется конструктивным углом γ, универсальным, то есть не зависящим от конструктивных углов, но зависящим только лишь от чисел m, n углом δ и числом дыхательных контуров статора n:The ratio of the durations of inhalation-exhalation α = a / b is determined by the design angle γ, universal, that is, independent of the design angles, but depending only on the numbers m, n by the angle δ and the number of stator breathing circuits n:

Figure 00000003
Figure 00000003

где γ=γrs - суммарная угловая величина окон ротора и статора,where γ = γ r + γ s is the total angular value of the rotor and stator windows,

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

δ=2π/n/(mn-1) - для обратной.δ = 2π / n / (mn-1) - for inverse.

Пример расчета режима прямой вентиляции, когда последовательность работы дыхательных контуров совпадает с направлением вращения ротора.An example of calculating the direct ventilation mode when the sequence of the breathing circuits coincides with the direction of rotation of the rotor.

В качестве первого примера рассчитаем схему прямой вентиляции для 4-контурного статора, n=4, посредством mn+1-оконного ротора, для последовательных значений коэффициента мультипликации m=1, 2, 3 (фиг. 2). Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров составляет 20 тактов в минуту, или ν=.33 Гц, т.е. период дыхания - 3 с. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора составят:As a first example, we calculate the direct ventilation scheme for a 4-circuit stator, n = 4, by means of mn + 1-window rotor, for successive values of the multiplication factor m = 1, 2, 3 (Fig. 2). Let the required respiratory rate on each of the respiratory circuits be 20 beats per minute, or ν = .33 Hz, i.e. breathing period - 3 s. Then the period of rotation T and the frequency of rotation f of the rotor will be:

Figure 00000004
Figure 00000004

Пример расчета режима обратной вентиляции, когда последовательность работы дыхательных контуров противоположна направлению вращения ротора.An example of calculating the reverse ventilation mode when the sequence of the breathing circuits is opposite to the direction of rotation of the rotor.

В качестве второго примера рассчитаем схему обратной вентиляции для 6-контурного статора, n=6, посредством mn-1-оконного ротора, для последовательных значений мультипликаторного коэффициента m=1, 2, 3 (фиг. 3). Пусть требуемая частота дыхания на каждом из дыхательных контуров статора по-прежнему составляет 20 циклов в минуту, или ν=.33 Гц, период дыхания - 3 с. Тогда период вращения Т и частота вращения f ротора составят:As a second example, we calculate the reverse ventilation scheme for a 6-circuit stator, n = 6, by means of an mn-1-windowed rotor, for successive values of the multiplier coefficient m = 1, 2, 3 (Fig. 3). Let the required breathing rate on each of the stator breathing circuits still be 20 cycles per minute, or ν = .33 Hz, the breathing period is 3 s. Then the period of rotation T and the frequency of rotation f of the rotor will be:

Figure 00000005
Figure 00000005

Общий вывод. Учитывая, что для однооконного ротора период вращения составлял бы 3 с, видим, что для мультипликаторного ротора период вращения увеличивается на порядок и более. Таким образом, наглядно виден эффект мультипликации частоты дыхания, проявляющийся в mn+1 или mn-1-кратном снижении требуемых частот вращения многооконного ротора. Это обусловлено тем, что все время вращения многооконного ротора эффективно расходуется на совершение главной его функции - последовательной подачи кислородно-воздушной смеси на окна статора для пациентов, а непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота его единственного окна к окнам статора полностью исключено.General conclusion. Considering that for a single-window rotor the rotation period would be 3 s, we see that for a multiplier rotor the rotation period increases by an order of magnitude or more. Thus, the effect of respiration rate multiplication is clearly visible, which manifests itself in mn + 1 or mn-1-fold decrease in the required rotational speeds of the multi-window rotor. This is due to the fact that the entire rotation time of the multi-window rotor is effectively spent on its main function - the sequential supply of the oxygen-air mixture to the stator windows for patients, and the unproductive idle rotation of the rotor just to turn its single window towards the stator windows is completely excluded.

Отметим, что вышеприведенные таблицы для 4-оконного статора при прямой вентиляции и 6-оконного при обратной - весьма похожи. Это подтверждает, что и прямая mn+1, и обратная mn-1 вентиляция, где n - число дыхательных контуров, равное числу окон статора, m=1, 2, 3, … - коэффициент мультипликации, mn+1 и mn-1 - числа окон ротора, обладают одинаковой эффективностью. Поэтому по всему тексту они и упоминаются параллельно.Note that the above tables for a 4-window stator with direct ventilation and 6-window with reverse ventilation are very similar. This confirms that both direct mn + 1 and reverse mn-1 ventilation, where n is the number of breathing circuits equal to the number of stator windows, m = 1, 2, 3, ... is the multiplication factor, mn + 1 and mn-1 are the number of rotor windows have the same efficiency. Therefore, throughout the text, they are mentioned in parallel.

Когда n мало, например, 4, как в первом примере, выгоднее использовать прямую вентиляцию, когда же п велико, например, 6, как во втором примере, - обратную, потому что конструктивно ширина окон ротора при этом получается приблизительно одна и та же.When n is small, for example, 4, as in the first example, it is more advantageous to use direct ventilation, when n is large, for example, 6, as in the second example, the reverse, because the structural width of the rotor windows is approximately the same.

Главное, что увеличением коэффициента мультипликации m можно неограниченно снижать скорости скольжения ротора по внутренней поверхности статора, чтобы подавить мощность сил трения и тепловыделение, из-за которых до сих пор вращательные золотники малоупотребительны в машиностроении по сравнению с возвратно-поступательными, несмотря на их большую простоту, надежность, экономичность, отсутствие инерционных нагрузок и зон залипания ротора в окрестностях их нулевых скоростей.The main thing is that by increasing the multiplication coefficient m, it is possible to infinitely reduce the sliding speed of the rotor along the inner surface of the stator in order to suppress the power of friction forces and heat generation, due to which rotary spools are still of little use in mechanical engineering compared to reciprocating, despite their great simplicity , reliability, efficiency, absence of inertial loads and rotor sticking zones in the vicinity of their zero speeds.

Так работает мультипликаторный принцип, означающий, что малая частота вращения ротора дает высокую частоту вращения волны реакции статора. Дополнительным «бонусом» является возможность изменения направления волны статора на противоположное направлению вращения ротора при обратной вентиляции.This is how the multiplier principle works, meaning that a low rotor speed results in a high speed of the stator response wave. An additional "bonus" is the ability to change the direction of the stator wave to the opposite direction of the rotor rotation during reverse ventilation.

Соотношение длительностей вдоха-выдоха α=а/b:The ratio of the durations of inspiration-expiration α = a / b:

Figure 00000006
Figure 00000006

где γ=γrs - суммарная угловая величина окон ротора и статора, δ=2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции, δ - 2π/n/(mn-1) - для обратной, определяется выбором конструктивного угла γ:where γ = γ r + γ s is the total angular value of the rotor and stator windows, δ = 2π / n / (mn + 1) - for direct ventilation, δ - 2π / n / (mn-1) - for reverse ventilation, is determined by the choice constructive angle γ:

Figure 00000007
Figure 00000007

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

С увеличением требуемого отношения длительностей вдоха-выдоха α=а/b конструктивный угол γ=γrs растет, ограничиваясь верхним пределом γ=nδ=4δ. С уменьшением отношения длительностей вдоха-выдоха α=а/b значения конструктивного угла γ=γrs снижаются.With an increase in the required ratio of the durations of inhalation-exhalation α = a / b, the design angle γ = γ r + γ s increases, limiting itself to the upper limit γ = nδ = 4δ. With a decrease in the ratio of the durations of inhalation-exhalation α = a / b, the values of the constructive angle γ = γ r + γ s decrease.

Для непрерывной вентиляции γ=δ, когда периоды вдохов соседних контуров не перекрываются, а непрерывно следуют друг за другом, а именно этот случай и представлен на фиг. 6, справедливо соотношение:For continuous ventilation γ = δ, when the periods of breaths of adjacent circuits do not overlap, but continuously follow each other, namely, this case is shown in Fig. 6, the ratio is true:

Figure 00000008
Figure 00000008

При этом для n-контурных аппаратов ИВЛ, обслуживающих одновременно сразу n пациентов, n=2, 3, 4,… непрерывная вентиляция дает весьма важные примечательные для практики значения отношений длительностей вдоха-выдоха α=a/b: α=1, 1/2, 1/3,…At the same time, for n-contour ventilators serving simultaneously n patients at once, n = 2, 3, 4, ... continuous ventilation gives very important values of the ratio of inhalation-exhalation durations α = a / b: α = 1, 1 / 2, 1/3, ...

Выводы. Технический результатConclusions. Technical result

1. Предложен недорогой простой надежный аппарат ИВЛ, предназначенный для одновременного подключения сразу нескольких пациентов, как без риска их перекрестного заражения, так и заражения самого аппарата.1. An inexpensive, simple, reliable ventilator has been proposed, designed for the simultaneous connection of several patients at once, both without the risk of their cross-contamination or contamination of the apparatus itself.

2. Устройство может быть актуальным при катастрофических пандемиях, приводящих к массовой дыхательной недостаточности населения, чтобы восполнить внезапный недостаток весьма дорогостоящего штатного оборудования.2. The device can be relevant in case of catastrophic pandemics leading to mass respiratory failure of the population in order to make up for a sudden shortage of very expensive standard equipment.

3. Благодаря мультипликаторному эффекту распределение кислородно-воздушной смеси осуществляется наиболее простыми и надежными медленно вращающимися скользящими клапанными золотниками, обеспечивающими требуемые частоты дыхания. При низких скоростях вращения роторов подавляется мощность сил трения и тепловыделение, что и обуславливает функциональность устройства. Достигнут оптимальный режим аппарата ИВЛ с вращающимся многооконным ротором внутри многооконного статора по критерию обслуживания одновременно сразу нескольких пациентов.3. Due to the multiplier effect, the distribution of the oxygen-air mixture is carried out by the simplest and most reliable slow-rotating sliding valve spools that provide the required breathing rates. At low speeds of rotation of the rotors, the power of frictional forces and heat generation are suppressed, which determines the functionality of the device. The optimal mode of the ventilator with a rotating multi-window rotor inside the multi-window stator has been achieved according to the criterion of serving several patients at once.

4. Варьирование частоты дыхания осуществляется путем простого изменения частоты вращения ротора. Отношения длительностей вдоха и выдоха определяются выбором суммарной угловой величины окон ротора и статора.4. Varying the breathing rate is done by simply changing the rotor speed. The ratio of the durations of inspiration and expiration is determined by the choice of the total angular value of the rotor and stator windows.

5. Мультипликаторное вращающееся устройство особенно эффективно для реализации высокочастотной ИВЛ, когда другие средства затруднительны.5. The multiplier rotating device is especially effective for the implementation of high-frequency ventilation when other means are difficult.

Использованная литератураReferences

1. Царенко СВ. Практический курс ИВЛ. Москва, 2007.1. Tsarenko SV. Practical course of mechanical ventilation. Moscow, 2007.

2. Бурлаков Р.И., Гальперин Ю.Ш., Юревич В.М. Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура). Москва, 1986.2. Burlakov R.I., Galperin Yu.Sh., Yurevich V.M. Artificial ventilation of the lungs (principles, methods, equipment). Moscow, 1986.

3. Зильбер А.П., Богоявленский И.Ф., Гальперин Ю.Ш., Уваров Б.С Искусственное дыхание. Большая медицинская энциклопедия, т. 9. Москва, 1978.3. Zilber AP, Bogoyavlensky IF, Halperin Yu.Sh., Uvarov BS Artificial respiration. Great Medical Encyclopedia, vol. 9.Moscow, 1978.

4. Горячев А.С, Савин И.А. Основы ИВЛ. Руководство для врачей. Москва, 2019.4. Goryachev A.S., Savin I.A. Fundamentals of mechanical ventilation. A guide for doctors. Moscow, 2019.

5. Сатишур О.Е. Механическая вентиляция легких. Москва, 2006.5. Satishur O.E. Mechanical ventilation of the lungs. Moscow, 2006.

6. Кассиль В.Л., Выжигина М.А., Лескин Г.С. Искусственная и вспомогательная вентиляция легких. Москва, 2004.6. Kassil V.L., Vyzhigina M.A., Leskin G.S. Artificial and assisted ventilation of the lungs. Moscow, 2004.

7. Лебединский К.М., Мазурок В.А., Нефедов А.В. Основы респираторной поддержки. СПб, 2008.7. Lebedinsky K.M., Mazurok V.A., Nefedov A.V. Respiratory support basics. SPb, 2008.

8. Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006.8. Chang D.W. Clinical Application of Mechanical Ventilation. 3rd Edition, 2006.

9. Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002.9. Hess D.R., Kacmarek R.M. Essentials of Mechanical Ventilation. 2nd Edition, 2002.

10. Papadakos P.J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology. 2008.10. Papadakos P. J., Lachmann B. Mechanical Ventilation: Clinical Applications and Pathophysiology. 2008.

11. Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition, 2006.11. Pilbeam S.P., Cairo J.M. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th Edition, 2006.

12. Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill, 2013.12. Tobin M.J. Principles and Practice of Mechanical Ventilation. 3rd edition, McGraw-Hill, 2013.

13. MacIntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009.13. MacIntyre N.R., Branson R.D. Mechanical ventilation. 2nd edition, Saunders Elsevier, 2009.

14. Chatburn R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition, 2004.14. Chatburn R.L. Fundamentals of Mechanical Ventilation: A Short Course on the Theory and Application of Mechanical Ventilators. 2nd Edition, 2004.

15. Электронный ресурс https://www.interfax.ru/russia/701318.15. Electronic resource https://www.interfax.ru/russia/701318.

16. Электронный ресурс https://tass.ru/ekonomika/8104865.16. Electronic resource https://tass.ru/ekonomika/8104865.

17. Свияженинов Е.Д. Мультипликаторно-золотниковый аппарат ИВЛ. Патент на изобретение РФ №2735759. Приоритет 12.05.2020 (прототип).17. Sviyazheninov E. D. Multiplier-spool ventilator. Patent for invention of the Russian Federation No. 2735759. Priority 05/12/2020 (prototype).

Claims (2)

1. Аппарат искусственной вентиляции легких, предназначенный для одновременной вентиляции до n пациентов, включающий неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами угловой величины γs с подсоединяемыми к ним n дыхательными трубками вдоха для каждого из n пациентов, и выполненный с возможностью скольжения по его внутренней поверхности ротор, содержащий сжатую кислородно-воздушную смесь под избыточным давлением, снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной вентиляции соответственно, угловой величины γr=nδ/(1+1/α)-γs, где m - коэффициент мультипликации - любое натуральное число: m=1, 2, 3,…, δ - зависящая только от чисел m и n характеристика устройства: δ=2π/n/(mn+1) - для прямой вентиляции, δ=2π/n/(mn-1) - для обратной, α - отношение длительностей вдоха и выдоха, при этом частота вращения ротора составляет f=ν/(mn+1) для прямой вентиляции, когда направления вращения ротора и подачи кислородно-воздушной смеси совпадают и f=ν/(mn-1) - для обратной, когда эти направления противоположны, где ν - требуемая частота дыхания, отличающийся тем, что статор выполнен в виде компрессионной камеры-ресивера, сообщенной с нижним открытым торцом ротора, тогда как верхний торец ротора закрыт несущей круговой пластиной - силовым элементом, передающим крутящий момент ротору от приводного вала, вращающегося с малой частотой f, по сравнению с частотой дыхания ν, кислородно-воздушная смесь из ресивера может поступать в трубки вдоха только при взаимном перекрытии mn+1 или mn-1 окон ротора и n окон статора, эти окна статора на его наружной поверхности снабжены регулирующими высоту этих окон заслонками, а подсоединяемые к n окнам статора n дыхательные трубки вдоха, индивидуально предназначенные для n пациентов, на других концах снабжены нереверсивными клапанами, выполненными с возможностью осуществления выдоха пациентов в атмосферу.1. A device for artificial lung ventilation, designed for simultaneous ventilation of up to n patients, including a fixed stator, equipped with n uniformly distributed around the circumference windows of the angular value γ s with n breathing tubes connected to them for each of n patients, and made with the ability to slide along its inner surface is a rotor containing a compressed oxygen-air mixture under excess pressure, equipped with mn + 1 or mn-1 windows evenly distributed around the circumference for direct or reverse ventilation, respectively, the angular value γ r = nδ / (1 + 1 / α) - γ s , where m is the multiplication coefficient - any natural number: m = 1, 2, 3, ..., δ is the device characteristic depending only on the numbers m and n: δ = 2π / n / (mn + 1) - for direct ventilation , δ = 2π / n / (mn-1) - for reverse, α is the ratio of the durations of inhalation and exhalation, while the rotor speed is f = ν / (mn + 1) for direct ventilation, when the directions of rotation of the rotor and oxygen supply -air mixtures coincide and f = ν / (mn-1) - for the reverse, when these directions are opposite, where ν is the required breathing frequency, characterized in that the stator is made in the form of a compression chamber-receiver communicated with the lower open end of the rotor, then as the upper end of the rotor is closed with a circular bearing plate - a power element that transfers torque to the rotor from the drive shaft rotating at a low frequency f, compared to the breathing rate ν, the oxygen-air mixture from the receiver can enter the inhalation tubes only with mutual overlap mn + 1 or mn-1 rotor windows and n stator windows, these stator windows on its outer surface are equipped with dampers adjusting the height of these windows, and n breathing tubes connected to n stator windows, individually designed for n patients, are equipped with non-reversing valves at the other ends, made with the possibility of exhalation of patients into the atmosphere. 2. Аппарат искусственной вентиляции легких по п. 1, отличающийся тем, что регулирующие высоту окон статора заслонки выполнены с возможностью полной заглушки в случаях неиспользования каких-либо из n окон статора и соответствующих им дыхательных трубок по причине вентиляции числа пациентов, меньшего n.2. The artificial lung ventilation apparatus according to claim 1, characterized in that the flaps adjusting the height of the stator windows are made with the possibility of a complete plug in cases of non-use of any of the n windows of the stator and the corresponding breathing tubes due to ventilation of the number of patients less than n.
RU2020139467A 2020-11-30 2020-11-30 Artificial lung ventilation device RU2747255C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139467A RU2747255C1 (en) 2020-11-30 2020-11-30 Artificial lung ventilation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139467A RU2747255C1 (en) 2020-11-30 2020-11-30 Artificial lung ventilation device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2747255C1 true RU2747255C1 (en) 2021-04-29

Family

ID=75850980

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020139467A RU2747255C1 (en) 2020-11-30 2020-11-30 Artificial lung ventilation device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2747255C1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1140782A1 (en) * 1982-05-06 1985-02-23 Одесский Медицинский Институт Им.Н.И.Пирогова Apparatus for artificial ventilation of lungs
SU1210828A1 (en) * 1983-05-18 1986-02-15 Одесский Медицинский Институт Им.Н.И.Пирогова Apparatus for artificial respiration
WO1994027553A1 (en) * 1993-05-24 1994-12-08 Dranez Anstalt Fluid control valve especially for use in lung ventilators
RU2069556C1 (en) * 1991-12-23 1996-11-27 Валентин Федорович Погорелов Apparatus for artificial ventilation of lungs
US20160279362A1 (en) * 2015-03-24 2016-09-29 Ventec Life Systems, Inc. Ventilator with integrated oxygen production
RU2651702C1 (en) * 2016-10-27 2018-04-23 Евгений Дмитриевич Свияженинов Rotating control valve
RU2698385C1 (en) * 2018-10-12 2019-08-26 Евгений Дмитриевич Свияженинов Multiplicative spool pulsator
US20190351161A1 (en) * 2016-02-16 2019-11-21 Balancair Aps A breathing device

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1140782A1 (en) * 1982-05-06 1985-02-23 Одесский Медицинский Институт Им.Н.И.Пирогова Apparatus for artificial ventilation of lungs
SU1210828A1 (en) * 1983-05-18 1986-02-15 Одесский Медицинский Институт Им.Н.И.Пирогова Apparatus for artificial respiration
RU2069556C1 (en) * 1991-12-23 1996-11-27 Валентин Федорович Погорелов Apparatus for artificial ventilation of lungs
WO1994027553A1 (en) * 1993-05-24 1994-12-08 Dranez Anstalt Fluid control valve especially for use in lung ventilators
US20160279362A1 (en) * 2015-03-24 2016-09-29 Ventec Life Systems, Inc. Ventilator with integrated oxygen production
US20190351161A1 (en) * 2016-02-16 2019-11-21 Balancair Aps A breathing device
RU2651702C1 (en) * 2016-10-27 2018-04-23 Евгений Дмитриевич Свияженинов Rotating control valve
RU2698385C1 (en) * 2018-10-12 2019-08-26 Евгений Дмитриевич Свияженинов Multiplicative spool pulsator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11654253B2 (en) Systems and methods for therapeutic intrathoracic pressure regulation
ES2326259T3 (en) DOUBLE PRESSURE FAN FOR POSITIVE AIR PRESSURE DEVICE.
CN109803703A (en) Anesthesia release and aerating system
JPH09108353A (en) Tracheal tube and device for artificial respiration apparatus
BR112015016799B1 (en) HIGH FREQUENCY POSITIVE PRESSURE VENTILATION SYSTEM
US10576240B2 (en) System and method for controlling leak
RU2747255C1 (en) Artificial lung ventilation device
PT1409054E (en) Device for isolating bias flow
Kunugiyama et al. High-frequency percussive ventilation using the VDR-4 ventilator: an effective strategy for patients with refractory hypoxemia
ES2745681T3 (en) Ventilation device
AU2021244249A1 (en) Modular ventilation system for time controlled adaptive ventilation
RU2755972C1 (en) Device of artificial ventilation of lungs
RU2735759C1 (en) Multiplicator-spool valve of artificial pulmonary ventilation
CN212369396U (en) Constant-current type low-ineffective-cavity breathing machine
JP7511021B2 (en) Devices and systems for respiratory assistance
WO2014066969A1 (en) Breathing circuit for an anesthesia apparatus
CN111481785A (en) Constant-current type low-ineffective-cavity breathing machine
RU2736948C1 (en) Multiplying artificial pulmonary ventilation apparatus
ES2726283T3 (en) Nasal cannula
SU969268A1 (en) Device for artificial ventilation of lungs
RU2108084C1 (en) Device for artificial pulmonary ventilation
BR102021013231A2 (en) PNEUMATIC MECHANICAL LUNG VENTILATOR
JPS6311974Y2 (en)
Bruining Two simple assemblies for the application of intermittent mandatory ventilation with positive end expiratory pressure
Norlander Developments in Ventilatory Care: Where Are We Going?