Ключевые слова: откашливатель, мокрота, респираторная поддержка, затруднение дыхания, инсуффлятор, аспиратор, эксуффлятор, паллиативная медицинская помощь .

Кашель является основным физиологическим механизмом очищения респираторного тракта, который представляет собой рефлекс, осуществляющий изгнание из дыхательных путей инородных тел, частиц или веществ, попавших извне или образованных эндогенно. Процесс инициируется глубоким вдохом, вводящим воздух в легкие. Затем мышцы гортани закрывают голосовую щель, в то время как мышцы живота и грудной клетки сокращаются, создавая повышенное давление в легочной системе. В конечном итоге голосовая щель резко открывается, и экспираторные мышцы сокращаются, чтобы выпустить воздух [1].

Снижение кашлевого рефлекса значительно повышает риск развития респираторных заболеваний, способных привести к летальному исходу. Так, например, для пациентов с нервно-мышечными заболеваниями респираторные осложнения являются причиной высоких показателей смертности [2]. Паралич межреберных мышц и мышц живота приводит к альвеолярной гиповентиляции и нарушению дренажной функции легких, что обуславливает задержку секрета в трахеобронхиальном дереве и возникновение пневмонии. Для пациентов с повреждением спинного мозга респираторные нарушения представляют собой основную причину госпитализации и смерти: 28 % смертей в первый год после получения травмы происходят по причине заболевания легких. Эти явления в первую очередь вызваны недостаточным выведением секрета из-за снижения эффективности кашля. При этом повреждение спинного мозга поражает 368 человек на 100 000 человек во всем мире [3].

Одним из методов очистки дыхательных путей у пациентов с малопродуктивным кашлем является метод механической инсуффляции/экссуффляции. Инсуффлятор-экссуффлятор (медицинский откашливатель) обеспечивает профилактику и лечение респираторных заболеваний за счет имитации естественного кашля у пациентов с неэффективным кашлем вследствие неврологических нарушений, паралича дыхательных мышц или бронхолегочных заболеваний. Использование откашливателя позволяет создать более высокую максимальную скорость выдоха при кашле, увеличивая общее выведение бронхиального секрета и предотвращая развитие респираторных заболеваний. Применение инсуффлятор-экссуффлятора также позволяет избежать раздражения и/или повреждение дыхательных путей, которое может быть вызвано аспирацией катетером. К преимуществам данного метода можно отнести и то, что инсуффлятор-экссуффлятор создает отрицательное давление как в центральных, так и в периферических дыхательных путях, а также обеспечивает одинаковую неинвазивную экссуффляцию в обоих легких, исключая при этом неприятные ощущения. Это позволяет предположить, что механическая инсуффляция-экссуффляция может сократить количество эпизодических приступов дыхательной недостаточности и количество госпитализаций, а также продолжительность пребывания в стационаре.

На текущий момент подобные изделия российского производства отсутствуют на рынке. В связи с этим нами была инициирована научно-исследовательская работа, заключающаяся в разработке инсуффлятора-экссуффлятора, который не будет уступать международным аналогам и обеспечит полное импортозамещение аппаратов производства США, Италии и Ю.Кореи.

2. Разработка пневматической схемы

Откашливатель в общем виде представляет собой портативное устройство, обеспечивающее имитацию естественного кашля за счет постепенного увеличения положительного давления воздуха в дыхательных путях, а затем быстрой его смены на отрицательное давление. Благодаря резкому перепаду давления экспираторный поток увеличивается, а секрет перемещается вверх по направлению ко ротовой полости.

Для реализации прототипа нами была разработана пневматическая схема, ключевыми компонентами которой являются турбина, обеспечивающая нагнетание и разряжение давления в дыхательном контуре, и единый клапан, выполняющий переключение потока, создаваемого турбиной, либо к пациенту, либо от пациента. Дополнительно клапан отвечает за создание осцилляций — колебаний потока воздуха с определённой частотой и амплитудой. Функционал единого клапана должен обеспечивать проведение процедуры в соответствии с параметрами, устанавливаемыми оператором. Данные параметры представлены в таблице 1.

Таблица 1

Также при проектировании клапана были учтены следующие требования:

– падение давления на клапане не должно превышать 5 смН2О при потоке 60 л/мин;

– клапан должен удерживать давление не менее 100 смН2О в оба направления потока;

– клапан должен обеспечивать переключение с частотой не менее 30 Гц при давлении +- 50 смН2О и закрытом патрубке со стороны пациента;

– клапан должен обеспечивать время переключения 16,6 мс. Данная характеристика вытекает из требования об увеличении частоты осцилляций до 30 Гц.

Важно отметить, что осцилляции воздействуют на трахеобронхиальный секрет специфичным образом, способствуя снижению его вязкости и обеспечивая поступательное его движение по направлению к крупным бронхам. Данный эффект особенно выражен при частоте осцилляций от 12 до 30 Гц [4]. Таким образом, расширяя верхнюю границу диапазона частоты до 30 Гц, мы увеличиваем для пациентов эффективность процедуры, поскольку для конкретного пациента оптимальная частота может отличаться.

Контроль дыхательного объёма и расчет максимального допустимого давления, которое может быть применимо в течение процедуры обеспечивает датчик потока. Кроме того, датчик потока позволяет обеспечить функцию синхронизации с дыханием пациента.

С целью предотвращения попадания пыли и задержания вредоносных частиц в дыхательные пути пациента схемы была дополнена НЕРА фильтром. Класс фильтра по ГОСТ Р ЕН 1822–5–2014 должен быть H13. Фильтры данного класса относятся к фильтрам высокой эффективности, что важно при использовании в медицинском оборудовании данного вида.

Для обеспечения предусмотренного давления и предотвращения загрязнения фильтра, а также неполадок, возникающих в результате его загрязнения, между НЕРА фильтром и переключающим клапаном был добавлен датчик, измеряющий разряжение.

Для предотвращения движение потока воздуха в обратном направлении (от пациента ко входу) был добавлен обратный клапан.

3. Управление турбиной

Турбина является основным компонентом системы. Для использования в разрабатываемой устройстве была выбрана турбина, предназначенная для применения в медицинской респираторной технике.

Управление турбиной сводится к управлению скоростью вращения двигателя турбины, на вал которого установлена крыльчатка. Устройство при этом должно одновременно обеспечивать требуемое давление и поток.

Зависимость оборотов турбины от измеренного давления и требуемого потока:

N = k1*Pm*k2F^1/2

Где N = скорость вращения двигателя, P — текущее давление, F — требуемый поток, k1 и m — коэффициенты для управления давлением, k2 — коэффициент для управления потоком.

Для корректного управления турбиной необходимо было вычислить указанные коэффициенты. Для этого был собран стенд, изображенный на рисунке 1.

Рис. 1

Ранее разработанная и изготовленная плата управления турбиной подключалась к лабораторному блоку питания и к турбине. Также к турбине с помощью шлангов был подключён вход вентиля. Выход вентиля подключался к анализатору. Собранный стенд подключался к персональному компьютеру посредством двух кабелей — один кабель подключался со стороны платы управления турбиной, другой — со стороны анализатора CITREX H4. После включения стенда запускали специальное программное обеспечение FlowLab для отображения в данных с анализатора CITREX H4. Управление оборотами турбины выполнялось с помощью программного обеспечения ModbusRTU.

Далее последовательно в диапазоне от 5000 до 50000 об/мин меняли скорость вращения двигателя турбины с шагом 5000 об/мин. На каждом шаге с помощью вентиля изменяли значения потока в диапазоне от 10 до 200 л/мин с шагом 20 л/мин. Во всех точках фиксировали значения оборотов, давления и потока в таблицу. Полученную таблицу загружали в MatLab и оценивали коэффициенты зависимости и достоверность аппроксимации.

В ходе проведенной работы были определены коэффициенты зависимости для управления скоростью вращения двигателя турбины. Достоверность аппроксимации R2 составила 0,9995. Полученная величина говорит о надежности линии тренда и возможности использования данных коэффициентов для управления работой турбины и оказания терапевтического эффекта.

Вывод

В ходе проведения первого этапа НИОКР нами были получены результаты, которые легли в основу дальнейшей разработки откашливателя. Была определена пневматическая схема будущего прототипа откашливателя, включающая собственную разработку — единый клапан. Данный клапан за счет своей конструкции позволяет осуществлять быстрое переключение с вдоха на выдох, а также обеспечивает установку частоты осцилляций до 30 Гц, что в совокупности способствует увеличению скорости экспираторного потока и росту эффективности отделения экссудата. Для управления турбиной нами была определена зависимость оборотов турбины от измеренного давления и требуемого потока и разработан алгоритм управления турбиной для обеспечения требуемого давления и потока в дыхательном контуре пациента. Таким образом, был сформирован задел, который поможет предоставить пациентам и лечащим специалистам удобный отечественный инструмент безопасного замещения естественного кашля.

Разработка осуществлена при грантовой поддержке Фонда содействия инновациям. Старт-Взлёт/ Н2. Медицина и технологии здоровьесбережения.

Литература:

1. Fink J. B. Forced expiratory technique, directed cough, and autogenic drainage //Respiratory care. — 2007. — Т. 52. — №. 9. — С. 1210–1223.
2. Штабницкий В. А. вентиляция легких у детей и подростков с нейромышечными заболеваниями.
3. Zhen-Gang L. et al. Revisiting the immune landscape post spinal cord injury: More than black and white //Frontiers in Aging Neuroscience. — 2022. — Т. 14. — С. 963539.
4. Малявин А. Г. и др. Медицинская реабилитация больных, перенесших COVID-19 инфекцию //Методические рекомендации. Терапия. — 2020. — Т. 5.