Глава 7 автоматизация искусственной вентиляции легких

Для исследования биологических объектов и создания аппаратов для управления их функциями может быть ис­пользована теория автоматического управления. При соз­дании аппаратов ИВЛ и исследовании процесса ИВЛ тео­рия автоматического управления применяется для модели­рования процесса ИВЛ с целью его изучения и получения моделей, пригодных для построения систем автоматиче­ского управления ИВЛ, в том числе с использованием био­логических параметров, в определенной мере заменяющих естественные контуры регулирования дыхания, систем автоматического управления, стабилизирующих работу аппа­ратов ИВЛ без применения информации о биологических характеристиках пациента.

Применению теории управления в биологических систе­мах посвящено большое количество работ, наиболее до­ступной из которых для специалиста-медика является мо­нография «Теория регулирования и биологические системы» [Гродинз Ф.С., 1966].

Моделирование процесса искусственной вентиляции легких

Моделирование какого-либо объекта обычно заключает­ся в количественном описании процессов, протекающих в этом объекте, с той или иной степенью приближения к ре­альности, создании структурной схемы моделируемого объекта и практической реализации таких структурных схем для создания возможных вариантов протекания изу­чаемых процессов при различных состояниях объекта и влияющих на объект внешних факторов.

Прежде всего необходимо с учетом цели моделирования выделить и охарактеризовать объект, подлежащий пред­ставлению в виде модели. Как показано в главе 1, сущ­ность дыхания заключается в том, что оно снабжает тка­ни кислородом и выводит из них углекислый газ; эти про­цессы координированы между собой и тесно связаны с другими физиологическими процессами организма. На всем пути газообмена между внешней средой и тканями организма в настоящее время наиболее доступна именно искусственная вентиляция легких.

С количественной стороны процесс самостоятельной и искусственной вентиляции характеризуют частотой дыха­ния f, дыхательным объемом Vt и минутной вентиляцией Vмин, связанными между собой отношением:

Vмин == V•f

Поскольку газообмен происходит только в альвеолах, важна величина не общей, а альвеолярной вентиляции Va, которая зависит от частоты дыхания f дыхательного объема Vt и величины мертвого пространства Vd:

V_A == (V_T-V_D)•f

Как уже упоминалось, одно и то же значение альвеоляр­ной вентиляции можно получить при различных сочетани­ях частоты дыхания и дыхательного объема. При само­стоятельном дыхании механизм его регуляции способен выявить неадекватность альвеолярной вентиляции и отре­гулировать ее путем изменения частоты дыхания и дыха­тельного объема. При этом показано [Теннеибаум Л.А., 1966; Rentsch H.Р., 1966], что из множества возможных сочетаний значений f и Vt организм выбирает те, кото­рые, поддерживая нормальные параметры газообмена, де­лают это с минимальной работой дыхания. В самом общем виде деятельность механизма регуляции дыхания зависит от артериального Р_CO2 Р_O2 и рН. Подъем артериального Р_CO2, падение артериального Р_O2 и снижение рН ведут к увеличению альвеолярной вентиляции. Обратные измене­ния P_CO2 и рН ведут к уменьшению альвеолярной венти­ляции. Увеличение же Р_O2 не всегда приводит к уменьшению альвеолярной вентиляции. Связь между этими пока­зателями и альвеолярной вентиляцией приведена для «среднего» пациента в работе Комро Дж. Г. и др. [1961] (см. рис. 22).

Исследования [Ivanov, Nunn, 1968] показали, что чув­ствительность дыхательного центра отличается разнообра­зием. При моделировании объекта управления иногда стремятся построить систему управления ИВЛ аналогично системе регулирования естественного процесса дыхания. Однако структура такой системы настолько сложна, что ее реализация по техническим и экономическим сообра­жениям существенно затруднена.

Одним из вариантов управления ИВЛ может быть под­держание адекватного газообмена в тканях. Однако реше­ние такой задачи в настоящее время невозможно из-за отсутствия методов измерения тканевого газообмена и ме­тодов осреднения информации о газообмене в тканях. Кроме того, обеспечение достаточного тканевого газообме­на в ряде случаев зависит не только от ИВЛ.

22. Связь между альвео­лярной вентиляцией va и альвеолярными Р_О2 Р_СО2 , артериальным на­сыщением О₂.

Попытки использовать систему естественной регуляции дыхания для управления ИВЛ известны и базируются на предположении, что эта система при ИВЛ не нарушена. В одной из таких систем используется активность диафрагмального нерва. Однако для медицинской практики та­кая методика слишком «инвазивна». В аппаратах, снаб­женных так называемыми триггерными устройствами для вспомогательного дыхания, для управления ИВЛ исполь­зуются слабые попытки вдоха пациента. Однако эффек­тивность такого управления для обеспечения оптимально­го газообмена сомнительна.

Физиологическими константами, отражающими адекват­ность дыхания, являются Р_О2, Р_СО2 и рН артериальной крови. Если говорить об этих константах применительно к ИВЛ, то по причинам, изложенным в главе 1, напря­жение кислорода в артериальной крови нужно исключить из параметров, по которым следует вести управление ИВЛ. Из-за наличия в организме буферной системы ВНСО₂ — Н₂СО₃ рН артериальной крови также можно ис­ключить из управляющих параметров. Таким образом, наиболее целесообразно управление ИВЛ осуществлять по Р_СО2 артериальной крови.

Возможности постановки такой задачи были показаны при исследовании регуляции дыхания в работах Gray (1945), где статическая характеристика системы управле­ния самостоятельным дыханием на основании эмпириче­ских данных приведена в виде:

Va=1,1 [pH]+l,31 [Pco₂] 90+l0.6-l0-8[104-Pco₂].

Там же предлагается исполь­зовать для определения рН выражение, связывающее его с величиной Рсо₂:

РН=а[Рco₂ — b],

где а и b — параметры, зависящие от содержания бикар­боната в крови и от кислородной емкости крови. С уче­том последнего выражения ясно, что в системе спонтан­ного дыхания альвеолярная вентиляция определяется в основном напряжением углекислого газа в артериальной крови.

Постоянство Рсо₂ артериальной крови при ИВЛ создаст в организме лучшие условия для насыщения крови кисло­родом, стабилизируя положение кривой диссоциации оксигемоглобина; поддерживает благодаря буферной системе нормальный рН; вместе с тем из перечисленных задач управления реализация такой системы представляется наиболее простой.

Для этой задачи управляемой величиной объекта управ­ления является Рсо₂ артериальной крови, а управляющим воздействием — минутная вентиляция.