Датчики контроля потока и давления

Клапаны вдоха и выдоха

Поступление кислородно-воздушной смеси регулируется работой клапанов вдоха и выдоха. В простых моделях респираторов функции этих клапанов совмещены конструктивно в одном устройстве, которое располагается на аппарате рядом с интубационной трубкой и представляет собой механический лепестковый клапан (см. рис. 1.2, в). Клапан является нереверсивным и позволяет обеспечить движение воздуха: на вдохе в легкие больного, а на выдохе - в окружающую среду. Устройство клапана позволяет приблизительно регулировать величину PEEP.

Поскольку клапан находится в непосредственной близости от интубационной трубки, то при попытке проведения длительной ИВЛ лепестки клапана могут слипаться друг с другом под воздействием влаги выдыхаемого воздуха и перестать адекватно функционировать. Именно наличие лепесткового клапана выдоха не позволяет включить в контур респиратора активный увлажнитель. В связи с этим единственной возможностью обеспечить увлажнение дыхательной смеси в данном случае является использование фильтра-тепловлагообменника. Эффективности тепловлагообменника не всегда хватает для достаточного увлажнения дыхательной смеси, поэтому в реальной клинической практике иногда делают попытки применения активный увлажнитель в рассматриваемых моделях респираторов. Необходимо категорически предостеречь от таких действий, поскольку печальный опыт показывает, что они приводят к серьезной опасности для больного из-за обструкции клапана.

В более сложных моделях клапаны вдоха и выдоха разделены и расположены возле респиратора. Работа клапана вдоха активно регулируется микропроцессором респиратора. В отличие от этого клапан выдоха чаще всего пассивен, поскольку он открывается выдыхаемым больным воздухом и закрывается при окончании выдоха. Устройство клапана выдоха позволяет достаточно точно дозировать величину PEEP. Конструкция клапанов предполагает как использование тепловлагообменника, так и активного увлажнения дыхательных путей с помощью встроенного в дыхательный контур увлажнителя.

Самым современным вариантом является наличие активных клапанов и вдоха, и выдоха. В этом случае открытие и закрытие клапана выдоха регулируются микропроцессором респиратора отдельно от клапана вдоха, что позволяет сохранить возможность спонтанного дыхания больного во время проведения ИВЛ.

Использование двух типов датчиков обеспечивает необходимые звуковые и световые тревоги при несоответствии установок респиратора и действительных параметров вентиляции пациента. Датчики обеспечивают получение респиратором информации, необходимой для функционирования звуковых и световых тревог. Самые важные тревоги следующие:

• ограничение максимального давления в дыхательных путях (Р_max)

• контроль максимальной частоты дыхательных движений (f_max)

• контроль минимальной величины дыхательного объема (V_{T min})

Основная задача датчика потока - анализ выдыхаемого воздуха. Датчик измеряет величину потока, затем микропроцессор респиратора интегрирует этот показатель и вычисляет объем выдыхаемого больным воздуха. Последний должен соответствовать объему, установленному врачом на панели респиратора и вдуваемому в легкие пациента. Основное предназначение датчика давления - контроль этого параметра в дыхательных путях больного для предупреждения баротравмы и утечек воздуха.

Помимо этого, благодаря информации, которую получает респиратор от датчиков потока и давления, аппарат осуществляет процесс отклика на дыхательную попытку больного. Этот отклик называется триггированием, а устройство, которое обеспечивает отклик, - триггером. Триггер (англ. trigger) означает спусковой крючок.

Существует два типа триггера - по потоку и давлению. Триггер по потоку реагирует на изменения потока воздуха в дыхательном контуре, триггер по давлению - на изменения давления в дыхательных путях при попытке больного совершить вдох. Он может располагаться по отношению к больному проксимально и дистально (см. рис. 1.2, б). Триггер по потоку чувствительнее такового по давлению (рис. 1.5). Кроме того, проксимальный триггер по давлению чувствительнее дистального.

Рис. 1.5. Преимущества триггирования по потоку по сравнению с триггированием по давлению. При триггировании по потоку (а) пациенту нужно приложить меньшее усилие, чем при триггировании по давлению (б). В первом случае достаточно небольших изменений величины базового потока, во втором - необходимо значительное разрежение в контуре респиратора. P_aw - давление в дыхательных путях.

Помимо указанных двух характеристик триггера, есть еще одна, не менее важная - время отклика на дыхательную попытку больного. Она обычно не указывается компанией-производителем, поэтому необходимую информацию приходится искать в работах независимых исследователей. В разных моделях респираторов это время составляет от 100 до 500 мс. В ряде аппаратов ИВЛ низкое время отклика реализуется с помощью двух датчиков потока - на вдохе и на выдохе (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Улучшение триггирования при использовании двух датчиков потока. а - пациент не дышит: поток на вдохе равняется потоку на выдохе; б - пациент делает вдох: поток на вдохе больше потока на выдохе. 1 - датчик потока в колене вдоха дыхательного контура; 2 - датчик потока в колене выдоха дыхательного контура.

Через контур респиратора подается небольшой постоянный, базовый, поток 3 - 5 л/мин, который проходит мимо больного. Показания датчиков сравниваются респиратором. Если датчик на выдохе регистрирует тот же поток, что и датчик на вдохе, /то респиратор понимает, что дыхательных попыток нет. Если больной делает попытку вдоха, то часть базового потока попадает в дыхательные пути. Датчик потока на выдохе регистрирует уменьшение базового потока, что является сигналом для триггирования и подачи механического вдоха.

В некоторых современных респираторах потоковый триггер функционирует без базового потока. Респиратор просто подготавливает поток свежего газа, а при появлении попытки вдоха подает его дыхательные пути. Для функционирования описанной системы должны быть соблюдены высокие технические требования к чувствительности триггера.

Глава 2. Механические свойства легких и общие принципы проведения ИВЛ

Основными характеристиками респираторной системы являются податливость (комплайнс) и сопротивление (резистанс). Величина податливости и сопротивления определяются давлением, потоком и объемом воздуха в легких. Рассмотрим эти понятия на примере объемного механического вдоха (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Графики потока и объема воздуха в легких, а также давления в дыхательных путях при механическом вдохе. По оси абсцисс: V - дыхательный объем; V^' - дыхательный поток; Р_aw - давление в дыхательных путях; Р_es - давление в пищеводе. По оси ординат - время. а - пиковый инспираторный поток; б - пиковый экспираторный поток; в - пиковое давление в дыхательных путях (Р_peak); г - давление плато в дыхательных путях (Р_plat); д - конечно-выдыхаемое давление (PEEP); e - давление в пищеводе в конце вдоха; ж - давление в пищеводе в конце выдоха.

Для подачи заданного объема кислородно-воздушной смеси необходимо обеспечить определенный дыхательный поток. Его максимальная величина на вдохе называется пиковым инспираторным потоком, максимальная величина на выдохе - пиковым экспираторным потоком. При поступлении воздушного потока в легкие в них подается дыхательный объем и создается некоторое давление (P_aw). В начале вдоха это давление максимальное, пиковое (P_peak). Затем оно снижается. При наличии в конце вдоха паузы, во время которой нет движения воздуха в дыхательных путях, можно определить так называемое давление плато вдоха (P_plat). Отсутствие движения воздуха в дыхательной системе во время паузы вдоха приводит к уравниванию давления в трахее, бронхах, альвеолах. Измеряя величину P_plat датчиком, располагающимся у наружного конца интубационной трубки, можно оценить давление в альвеолах в конце вдоха (P_alv). С точки зрения газообмена альвеолярное давление является очень важным параметром, поскольку отражает ту движущую силу, которая растягивает альвеолы и обеспечивает градиент давления между ними и легочными капиллярами. Кроме того, от величины P_alv зависит венозный возврат к сердцу и вероятность повреждения альвеол. При выдохе происходит снижение Р_аw до того уровня положительного давления в конце выдоха (positive end expiratory pressure, PEEP), которое установлено врачом. Последняя величина называется внешним, или аппаратным, PEEP. Кроме давления, измеренного возле проксимального конца интубационной трубки, клиническое значение имеет величина давления в нижней трети пищевода (P_es), отражающая колебания давления в плевральной полости.

Если у пациента имеется ограничение выдоха, что бывает, например, при хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ), то воздух может задерживаться в легких. Вследствие этого поступающие новые порции дыхательной смеси приводят к развитию перерастяжения (гиперинфляции) легких. Одним из критериев оценки гиперинфляции является величина непреднамеренного (внутреннего) PEEP. Необходимо учесть, что в этом случае истинный PEEP может существенно отличаться от внешнего. Подробнее эта проблема будет рассмотрена в разделе, посвященном проведению ИВЛ у больных с ХОБЛ.

Сопротивление дыхательных путей (R) рассчитывают как частное от деления разницы между Р_реак и PEEP на величину пикового потока.

R = (Р_peak - PEEP)/V^'

где V^' - пиковый поток.

Податливость (С) определяется разницей давлений в легких во время вдоха и выдоха при введении в них объема воздуха. Если в расчет принимается разница P_plat и PEEP, то податливость называется статической (C_stat).

C_stat = V/(P_plat - PEEP).

Строго говоря, для того чтобы измеряемое респиратором давление соответствовало Р_plat, нужно создать достаточно длительную паузу вдоха (обычно не менее 0,5 с). За столь длительный промежуток времени можно достичь уравнивания давления в разных альвеолах. Если столь длительная пауза не выдерживается, то в расчетах используют величину P_aw, примерно соответствующую P_plat. В связи с этим показатель податливости называется динамическим (C_dyn).

C_dyn = V/(P_aw - PEEP).

Величина, обратная податливости, называется эластичностью легких (Е).

Е = 1/С.

Величина динамической податливости больше статической и зависит не только от эластических свойств легких, но и от сопротивления дыхательных путей. Для клинической практики важно понимать, что чем меньше податливость и больше сопротивление, тем труднее ввести дыхательный объем в легкие больного и, следовательно, тем большее давление в дыхательной системе для этого нужно создать.

Однако энергия механического вдоха расходуется не только на растяжение легких, но и на преодоление эластичности окружающих структур: грудной клетки и живота, а также повязок и бандажей. На поступление воздуха в дыхательную систему влияют свойства:

• эндотрахеальной (трахеостомической) трубки;

• собственно легких;

• грудной клетки.

Грудная клетка представляет собой мышечно-реберный каркас. Наиболее изменчивы характеристики этого каркаса в его нижней части, которая занята диафрагмой. Смещение диафрагмы в краниальном направлении вследствие повышения внутрибрюшного давления является одной из наиболее частых причин изменения механических свойств грудной клетки.

Поступление воздуха в легкие должно преодолеть силы эластичности. Несколько упрощая реальную ситуацию, можно выделить эластичность самих легких и эластичность грудной клетки. Соответственно раздельно рассматривают податливость легких и грудной клетки. Податливостью эндотрахеальной трубки ввиду жесткости ее стенок обычно пренебрегают. Кроме того, воздух, поступающий в легкие, имеет определенную вязкость. Как всякая вязкая среда, воздушный поток преодолевает сопротивление тех структур, с которыми он контактирует. Поэтому различают сопротивление эндотрахеальной трубки и сопротивление дыхательных путей.

Раздельный учет 4 факторов - сопротивления эндотрахеальной трубки (R_et), сопротивления дыхательных путей (R_aw), податливости легких (C_L) и податливости грудной клетки (C_cw) - лежит в основе четырехкомпонентной модели легких. Использование этой модели полезно в клинической практике, поскольку позволяет рационально подбирать режимы ИВЛ. Влияние всех компонентов приводит к формированию общего показателя - давления в дыхательной системе (P_aw):

Р_aw = (R_et · V^') + (R_aw · V^') + (C_L/V) + (C_cw/V).

Величину P_aw можно измерить с помощью имеющегося во всех респираторах датчика давления, располагающегося в контуре аппарата ИВЛ. Для оценки отдельных компонентов респираторной системы используют дополнительные датчики давления, вводимые в трахею и пищевод пациента.

Раздельную оценку сопротивлений эндотрахеальной трубки и дыхательных путей проводят при сравнении показаний датчиков, располагающихся в контуре аппарата и непосредственно в трахее. Анализ изменений трахеального давления позволяет исключить влияние интубационной трубки и оценивать сопротивление только дыхательной системы (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схематичное изображение дыхательной системы и мест расположения датчиков измерения давления [Maclntyre N. Branson R., 2001]. Обозначения (здесь и в дальнейшем): P_aw - давление в дыхательной системе; P_tr - давление в трахее; P_alv - давление в альвеолах в конце вдоха; P_es - давление в пищеводе; R_et - сопротивление эндотрахеальной трубки; R_aw - сопротивление дыхательных путей; C_L - податливость легких; C_cw- податливость грудной клетки. Обозначения на данном рисунке: 1 - эндотрахеальная трубка; 2 - трахея (дыхательные пути); 3 - альвеолы; 4 - грудная клетка, включающая диафрагму (5).

Для определения C_L и C_cw используют информацию, получаемую также от двух датчиков: обычного, располагающегося у наружного конца интубационной трубки, и пищеводного, вводимого в нижнюю треть пищевода. Показания последнего соответствуют изменениям плеврального давления.

Как известно, в состоянии выдоха давление в альвеолах равняется атмосферному. В нормальной физиологии величину атмосферного давления принято рассматривать как референтную точку, т. е. принимать ее в качестве нуля. В связи с этим во время выдоха в плевральной полости давление, которое ниже атмосферного, считается отрицательным (обычно -5 см вод. ст.). Такая величина давления нужна для уравновешивания эластичности легких и грудной клетки

При вдохе динамика плеврального давления отражает разные физиологические процессы в зависимости от того, является ли вдох спонтанным или механическим. И при спонтанном вдохе, и при механическом происходит растяжение легких. В обоих случаях сила, которая движет воздух в легкие, создается за счет разницы давлений между альвеолами и окружающей средой.

При механическом вдохе давление окружающей среды, создаваемое респиратором, больше давления в альвеолах. Увеличение давления в альвеолах приводит к росту плеврального давления, которое становится положительным. Иными словами, плевральное давление отражает ту силу, с которой растягиваемые респиратором легкие расправляют грудную клетку. Динамика P_aw, измеряемого возле наружного конца эндотрахеальной трубки при механическом вдохе, определяется силой, с которой респиратор растягивает суммарно легкие и грудную клетку.

Согласно законам физиологии, эластичность респираторной системы (E_rs) равна сумме эластичностей легких (E_L) и грудной клетки (E_cw):

E_rs = E_L + E_cw

Общая податливость респираторной системы (C_rs) является результатом совместного влияния C_L и C_cw. В связи с тем что податливость - это величина, обратная эластичности, получаем следующую формулу:

1/C_rs = 1/C_L + 1/C_cw

Путем дальнейших арифметических действий можно рассчитать податливость грудной клетки:

1/C_cw = 1/C_rs - 1/C_L

C_cw= 1/(1/С_rs - 1/C_L)

Иная ситуация возникает при спонтанном вдохе. Градиент давления, движущий воздух в легкие, создается за счет работы мышц вдоха и увеличения грудной клетки в объеме. Отрицательное плевральное давление становится меньше, т. е. еще отрицательнее, что приводит к "засасыванию" воздуха в легкие. Иными словами, изменения плеврального давления при спонтанном вдохе отражают ту силу, с которой грудная клетка растягивает легкие. Из-за активного сокращения дыхательной мускулатуры во время спонтанного вдоха оценить отдельно податливость грудной клетки не представляется возможным. В связи с этим во время самостоятельного вдоха величина давления как во всей дыхательной системе, так и в плевральной полости зависит только от податливости легких (C_L).

Зачем нужны описанные физиологические характеристики практикующему реаниматологу? Они необходимы для объяснения современных подходов к проведению респираторной поддержки, которые основаны на четырех основных положениях [Artigas A. et al., 1998].

Дата добавления: 2015-07-02