PL183237B1

PL183237B1 - Symulator tłokowy własności mechanicznych płuc

Info

Publication number: PL183237B1
Application number: PL97323414A
Authority: PL
Inventors: Maciej Kozarski; Marek Darowski; Jarosław Glapiński
Original assignee: Inst Biocybernetyki I Inzynier
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2002-06-28
Also published as: PL323414A1

Abstract

Symulator tłokowy własności mechanicznych płuc zawierający cylinder pneumatyczny z tłokiem połączonym za pośrednictwem silnika elektrycznego z układem regulacji prędkości tłoka zawierającym przetworniki prędkości i przesunięcia tłoka połączone ze sterownikiem znajdującym się na wejściu silnika elektrycznego, ponadto zawierający przetwornik ciśnienia połączony z kanałem wejściowym cylindra, znamienny tym, że wyjście elektryczne przetwornika (10) ciśnienia dołączone jest do wejścia (17) bloku przeliczającego (15), którego wyjście dołączone jest do wejścia sterującego sterownika (6)

Description

Przedmiotem wynalazku jest symulator tłokowy własności mechanicznych płuc przeznaczony do celów dydaktycznych, jak urządzenia treningowe dla personelu medycznego oraz do celów badawczych związanych z budową i oceną pracy urządzeń do sztucznej wentylacji płuc.

Znane są różne rozwiązania urządzeń do symulacji własności mechanicznych płuc. Są one z reguły budowane jako mechaniczne urządzenia składające się z mieszków lub tłoków pneumatycznych, sprężyn, rezystorów pneumatycznych i czasami siłowników umożliwiających symulację naturalnego oddechu pacjenta.

Zasadniczą wadą wszystkich do tej pory budowanych symulatorów własności mechanicznych płuc jest ich strukturalna nieelastyczność związana z bardzo kłopotliwą z technicznego punktu widzenia koniecznością budowy dokładnych, powtarzalnych elementów mechanicznych takich, jak rezystory pneumatyczne, sprężyny o zmiennej sztywności, generatory siły i inne podobne elementy.

Znany jest model własności lepkosprężytych płuc, który stanowi połączenie rezystora pneumatycznego o przepływie laminarnym z komorą elektromechanicznego kondensatora pneumatycznego. Wejściem modelu jest kanał wlotowy rezystora pneumatycznego. Kondensator elektromechaniczny jest zbudowany w postaci cylindra pneumatycznego z poruszającym się wewnątrz tłokiem napędzanym za pomocą silnika elektrycznego. Przesunięcie tłoka jest ustalane za pomocą układu regulacji jako proporcjonalne do ciśnienia panującego w komorze cylindra, czyli cały układ napędu elektrycznego spełnia rolę sprężyny dającej przesunięcie tłoka proporcjonalne do ciśnienia w komorze, a tym samym do siły oddziałującej na tłok.

Do zalet tego rozwiązania należy przede wszystkim możliwość płynnej i dowolnej zmiany pojemności (podatności) kondensatora pneumatycznego oraz możliwość symulacji oddechu spontanicznego poprzez zadawanie dodatkowego przesunięcia tłoka nakładającego się na jego ruch wywołany na przykład przepływem powietrza wymuszanym przez dołączony do modelu respirator.

Do wad modelu należy przede wszystkim brak możliwości płynnej zmiany wartości rezystancji i praktyczna niewykonalność symulacji własności lepkosprężystych płuc, co wymagałoby rozbudowy modelu o dodatkowe elementy elektromechaniczne.

Zgodnie z wynalazkiem symulator tłokowy własności mechanicznych płuc zawierający cylinder pneumatyczny z tłokiem połączonym za pośrednictwem silnika elektrycznego z ukła183 237 dem regulacji prędkości tłoka zawierającym przetworniki prędkości i przesunięcia tłoka połączone ze sterownikiem znajdującym się na wejściu silnika elektrycznego, a ponadto zawierający przetwornik ciśnienia połączony z kanałem wejściowym cylindra, charakteryzuje się tym, że wyjście elektryczne przetwornika ciśnienia dołączone jest do wejścia bloku przeliczającego, którego wyjście dołączone jest do wejścia sterującego sterownika.

W korzystnym wykonaniu blok przeliczający zawiera na wejściu przetwornik napięcieprąd, którego wyjście dołączone jest do wejścia wzmacniacza separującego i do wejścia żyratora obciążonego siecią elektryczną.

W innym korzystnym wykonaniu blok przeliczający zawiera na wejściu przetwornik analogowo-cyfrowy połączony z wejściem cyfrowym komputera, którego wyjście połączone jest z przetwornikiem cyfrowo-analogowym znajdującym się na wyjściu bloku przeliczającego.

Symulator według wynalazku nie zawiera takich elementów mechanicznych, jak sprężyny i pneumatyczne kondensatory i rezystory, które wymagają bardzo precyzyjnego wykonania i których zmiana parametrów związana jest z dużą komplikacją konstrukcyjną.

Stopień komplikacji modelu płuc realizowanego przez symulator według wynalazku może być dowolny, a dokładność symulacji jest ograniczona jedynie przez dokładność użytych elementów typowych przetworników pomiarowych i przez pasmo przenoszenia układu regulacji ruchu tłoka.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat symulatora tłokowego własności mechanicznych płuc, fig. 2 schematycznie blok przeliczający tego symulatora, fig. 3 - inny przykład wykonania bloku przeliczającego, fig. 4 - analog elektryczny symulatora według wynalazku, fig. 5 - część układu bloku przeliczającego z fig. 2, a fig. 6 - jej elektryczny analog, fig. 7 - inny przykład rozwiązania części bloku przeliczającego, fig. 8 - jej elektryczny analog, a fig. 9 - przykładową uproszczoną sieć opisującą własności mechaniczne płuc.

Symulator tłokowy własności mechanicznych płuc zawiera cylinder pneumatyczny 1 tłokiem 2 połączonym za pośrednictwem silnika elektrycznego 4 z układem regulacji prędkości tłoka zawierającym przetwornik 7 prędkości i przetwornik 5 przesunięcia tłoka połączone ze sterownikiem 6 znajdującym się na wejściu silnika elektrycznego 4, ponadto zawierający przetwornik 10 ciśnienia połączony z kanałem wejściowym 11 cylindra 1. Wyjście elektryczne przetwornika 10 ciśnienia dołączone jest do wejścia 17 bloku przeliczającego 15, którego wyjście dołączone jest do wejścia sterującego sterownika 6.

Blok przeliczający 15 zawiera na wejściu przetwornik 9 napięcie-prąd, którego wyjście dołączone jest do wejścia wzmacniacza separującego 8 i do wejścia żyratora 12 obciążonego siecią elektryczną 13 zbudowaną z elementów RLC i z elektrycznych źródeł sterowanych. Na wejściu żyratora 12 panuje napięcie u_si i płynie prąd i_si. Parametrami wyjściowymi żyratora 12 i wejściowymi sieci 13 są prąd i_S2 oraz napięcie u _S2

W innym przykładzie blok przeliczający 15 zawiera na wejściu przetwornik AC analogowo-cyfrowy połączony z wejściem cyfrowym komputera 18, którego wyjście połączone jest z przetwornikiem cyfrowo-analogowym znajdującym się na wyjściu 16 bloku przeliczającego 15.

Sygnał cyfrowy z wyjścia przetwornika analogowo-cyfrowego AC podawany jest do wejścia cyfrowego komputera 18 i stanowi jednocześnie sygnał wejściowy dla układu równań sieci elektrycznej o zadanej impedancji, rozwiązywanych numerycznie w komputerze, przy czym rozwiązaniem równania sieci jest napięcie, które otrzymane w postaci cyfrowej jest przetwarzane przez przetwornik cyfrowo-analogowy CA na sygnał analogowy dostarczany do końcówki wyjściowej 16 bloku przeliczającego 15.

Kanał wejściowy 11 cylindra 1 jest wejściowym kanałem symulatora. Ciśnienie p w tym kanale i natężenie przepływu gazu q wpływającego do komory cylindra o objętości V stanowią wielkości wejściowe symulatora odpowiadające ciśnieniu i natężeniu przepływu w tchawicy pacjenta. Startowe położenie xo tłoka 2 przesuwającego się w cylindrze 1 odpowiada średniej objętości górnych dróg oddechowych pacjenta. Tłok jest napędzany śrubą pociągową 3 związaną z wałem silnika elektrycznego 4.

Przetworniki elektryczne 5 położenia tłoka i 7 prędkości dostarczają sygnały sprzężenia zwrotnego do sterownika 6 spełniającego rolę regulatora prędkości przesuwu tłoka 2. Jest to

183 237 typowy układ serworegulacji utrzymujący prędkość v tłoka proporcjonalną do wartości zadanej sterownika Uv dostarczanej przez blok przeliczający 15.

Symulator według wynalazku pokazany na fig. 1 jest równoważny układowi pokazanemu na fig. 2, w którym do końcówki pneumatycznej 11, w której panuje ciśnienie p i płynie gaz o natężeniu q, podłączona została impedancja pneumatyczna Zp:

Zp = Z_m/A²Z_m = F/V gdzie: F - siła działająca na tłok, A - powierzchnia tłoka.

Równolegle z impedancją pneumatyczną połączony jest kondensator pneumatyczny o pojemności C_v:

C_v = V/np_a gdzie: n - wykładnik politropy, p_a - ciśnienie atmosferyczne, V - objętość komory V = x₀A

Uo i io symbolicznie zaznaczonymi wartościami chwilowych napięć i prądów generowanych przez sterowane źródło napięcia sieci RLC.

Figura 5 przedstawia część układu symulatora z fig. 1 związanego z siecią RLC 13 w wersji żyratorowej. Obecność żyratora 12 powoduje, że impedancja wejściowa Z_e (fig. 6) jest bezpośrednio proporcjonalnie odwzorowywana w impedancję pneumatyczną Z_pi ze współczynnikiem proporcjonalności kf

Zpi ^_ ki Z_e

Również możl iwajest bcdowa iddady symulotoca nie zawi erajncego żyratora. Pokacane to jnsż mt fic. 7, gdzie sieć RLC 13 jest bezpośrednio podłączona jako obciążenie źródła prądowego 9. Takie rozwiązanie jest jednak mniej dogodne, ponieważ impedancja sieci jest odwzorowywana jwio wienko ić od'npatmn zkopcżbj()nalnn de pnętlmatynanej (fig. 8), to znaczy == im z_e gdeie: k - wnpółczóS)Jy k pjopozcjonalnośei

Sieć adwzozowywana kawinnr mieć w mym przypddku stauktolrn euolną sio cio sunku do analogicznej soeci wneumatyaonej opisując! sPyPtLWć ałun.

Na fiśr- d poZazanaj^ bzzyżlaOowz unraaaczona s iem ορίϋΐρ^^ι wia$naści mechaniezze płuc.

Część pneumatyczna II płuc przedstawiła kdt w postaci indukcyjności L_pi symulującej bezwSadnżZa nrzapZyżOi w kapałćch wćuoaach, rczzrtanaii R_pa oymuiujacei saeaty lzaabśtiowe pzzepływgi zazy. konnensaOoea zbmplującsgo pojsIOkiośa gan^yob doża oddecWo^lzp'ch Cpo i kondenrotowa anmulżjącego ρι^ιζι^ί C_pW żOdortałaS czymu dzbk oOdecOżwyad.

C^ęść Cackowlj ipiua jesk przedstpwiona w jpytaoi rzeregsweao żWnΌdu jazonans()wego L_m, R_m. C_{m ra}k_aazentującego bezwładność i sprężystość tkankową oraz pewną rezystancję strat wiskotycznych w strukturze tkankowej płuc. (Ζ^ΐ2ε=η1/π lż_a sin t reprezentuje źródło spontanicznego oddechk ganeIΌwanabo proez minrnia szkieletowe. Własności dynamiczne przedstawionej na fiż- 9 RLw w od\\p:orowgwmn w wki^pc i imyedancji ρ^Ί-ΡαΙχ-Όζη! na wojOsiy k u ss-_o mulatora, poopżkclłżlnai do η^εΡΗ!!!! wgJStiowćj sieći.

183 237

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

183 237

Fig. 9

183 237

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Symulator tłokowy własności mechanicznych płuc zawierający cylinder pneumatyczny z tłokiem połączonym za pośrednictwem silnika elektrycznego z układem regulacji prędkości tłoka zawierającym przetworniki prędkości i przesunięcia tłoka połączone ze sterownikiem znajdującym się na wejściu silnika elektrycznego, ponadto zawierający przetwornik ciśnienia połączony z kanałem wejściowym cylindra, znamienny tym, że wyjście elektryczne przetwornika (10) ciśnienia dołączone jest do wejścia (17) bloku przeliczającego (15), którego wyjście dołączone jest do wejścia sterującego sterownika (6).
2. Symulator według zastrz. 1, znamienny tym, że blok przeliczający (15) zawiera na wejściu przetwornik (9) napięcie-prąd, którego wyjście dołączone jest do wejścia wzmacniacza separującego (8) i do wejścia żyratora (12) obciążonego siecią elektryczną (13).
3. Symulator według zastrz. 1, znamienny tym, że blok przeliczający (15) zawiera na wejściu przetwornik (AC) analogowo-cyfrowy połączony z wejściem cyfrowym komputera (18), którego wyjście połączone jest z przetwornikiem cyfrowo-analogowym znajdującym się na wyjściu (16) bloku przeliczającego (15).