PL249155B1

PL249155B1 - A device for automatic, constant power lung ventilation with optimized minimum power selection of operating frequency and a method of controlling this device

Info

Publication number: PL249155B1
Application number: PL443976A
Authority: PL
Inventors: Maciej KOZARSKI; Maciej Kozarski; Marek Darowski
Original assignee: Inst Biocybernetyki I Inzynierii Biomedycznej Im Macieja Nalecza Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2023-03-03
Filing date: 2023-03-03
Publication date: 2026-03-02
Also published as: PL443976A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do automatycznej wentylacji płuc zawierające elektrycznie sterowane źródło (1) strumienia (q) gazowej mieszanki oddechowej oraz mikrokontroler (7) z pamięcią oraz sposób sterowania takiego urządzenia. Urządzenie charakteryzuje się tym, że mikrokontroler (7) zawiera układ regulacji (5) zawierający regulator ekstremalny (51) przystosowany do regulacji pracy źródła (1) strumienia (q) trybie stałoprzepływowym poprzez minimalnomocowy dobór częstotliwości pracy (Fopt) oraz regulator krokowy (52) przystosowany do regulacji pracy źródła (1) strumienia q w trybie stałomocowym poprzez dobór mocy (N) sygnału pneumatycznego na wyjściu źródła (1) strumienia (q) przy której osiąga się zadaną wartość wentylacji minutowej(VMo) zapisana w pamięci mikrokontrolera (7), zaś układ regulacji (5) jest połączony z centralnym układem sterującym (6) przystosowanym do synchronizowania układu regulacji (5) i aktywizowania regulatora ekstremalnego (51) albo regulatora krokowego (52).The subject of the application is a device for automatic lung ventilation comprising an electrically controlled source (1) of a flow (q) of a breathing gas mixture and a microcontroller (7) with memory, as well as a method for controlling such a device. The device is characterized in that the microcontroller (7) comprises a control system (5) comprising an extreme regulator (51) adapted to regulate the operation of the source (1) of flow (q) in a constant flow mode by selecting the minimum power operating frequency (Fopt) and a stepper regulator (52) adapted to regulate the operation of the source (1) of flow q in a constant power mode by selecting the power (N) of the pneumatic signal at the output of the source (1) of flow (q) at which the set minute ventilation value (VMo) stored in the memory of the microcontroller (7) is achieved, and the control system (5) is connected to a central control system (6) adapted to synchronize the control system (5) and activate the extreme regulator (51) or the stepper regulator (52).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Wynalazek dotyczy urządzenia do automatycznej, stałomocowej wentylacji płuc z optymalizowanym minimalnomocowym doborem częstotliwości pracy oraz sposobu sterowania tym urządzeniem.The invention relates to a device for automatic, constant power lung ventilation with optimized minimum power selection of the operating frequency and a method of controlling this device.

STAN TECHNIKISTATE OF THE ART

Celem terapii oddechowej jest zastąpienie niewydolnych funkcji płuc sztuczną wentylacją za pomocą respiratora. Respirator generuje, w sposób automatyczny, cyklicznie zmienne dodatnie ciśnienie w górnych drogach oddechowych, dostarczając moc oddechową N, niezbędną do pokonania oporów dróg oddechowych R i sprężystości płuc C. Moc oddechowa tj. iloczyn ciśnienia wdechowego i strumienia przepływu wdechowego, jest tym większa im większy jest opór dróg oddechowych R i/lub podatność płuc C jest mniejsza, co związane jest z patologią układu oddechowego, typu obturacyjnego (duże R) lub restrykcyjnego (małe C).The goal of respiratory therapy is to replace failing lung function with artificial ventilation using a ventilator. The ventilator automatically generates cyclically variable positive pressure in the upper airways, providing the respiratory power N necessary to overcome airway resistance R and lung elasticity C. Respiratory power, i.e., the product of inspiratory pressure and inspiratory flow, increases with greater airway resistance R and/or lower lung compliance C, which is associated with obstructive (large R) or restrictive (small C) respiratory pathology.

Niezależnie od stosowanej metody sztucznej wentylacji płuc (generalnie - ciśnieniowej lub objętościowej) dwa parametry wentylacji - częstotliwość f i objętość oddechowa Vt decydują o efektywności sztucznej wentylacji płuc, tzn. uzyskania wymaganego utlenowania krwi i eliminacji dwutlenku węgla. Iloczyn Vt i f stanowi minutową wentylację MV płuc, która powinna wynosić od 6 do 10 ml/kg wagi ciała pacjenta. W przypadkach patologii płuc właściwa wymiana gazowa zależy także od wartości dodatniego ciśnienia końcowo-wydechowego i zawartości tlenu w gazie wdechowym.Regardless of the method of artificial lung ventilation used (generally pressure or volume), two ventilation parameters—frequency f and tidal volume Vt—determine the effectiveness of artificial lung ventilation, i.e., achieving the required blood oxygenation and carbon dioxide elimination. The product of Vt and f represents the minute ventilation of the lungs, which should be between 6 and 10 ml/kg of the patient's body weight. In cases of lung pathology, adequate gas exchange also depends on the value of positive end-expiratory pressure and the oxygen content of the inspiratory gas.

W dziedzinie sztucznej wentylacji płuc istnieje ugruntowany od wielu lat pogląd, potwierdzony wieloma pracami teoretycznymi i doświadczalnymi, że dla danego pacjenta o określonych parametrach R i C, moc oddechowa N osiąga minimalną wartość dla określonej częstotliwości wentylacji Fo. Wentylując więc pacjenta z częstotliwością Fo, zbliżoną do częstotliwości oddychania spontanicznego zapewnimy mu największy komfort, minimalizując moc oddechową respiratora, która wiąże się z niekorzystnym oddziaływaniem dodatnich ciśnień oddechowych na układ oddechowy.In the field of artificial lung ventilation, there has been a long-established view, confirmed by numerous theoretical and experimental studies, that for a given patient with specific R and C parameters, respiratory power N reaches a minimum value for a specific ventilation frequency Fo. Therefore, by ventilating the patient at a frequency Fo close to the spontaneous breathing frequency, we provide the patient with the greatest comfort by minimizing the ventilator's respiratory power, which is associated with the adverse effects of positive respiratory pressures on the respiratory system.

Optymalny dobór parametrów mechanicznej wentylacji płuc jest niezbędny, gdyż szczególnie w czasie długotrwałej wentylacji konieczny jest taki dobór nastaw tych parametrów (częstotliwości f i objętości oddechu Vt), aby sztuczna wentylacja przebiegała w sposób jak najmniej odbiegający od naturalnego oddychania (mimo istnienia zasadniczych różnic między nimi). Oznacza to, że zarówno początkowe wartości nastaw parametrów pracy respiratora, jak i ich zmiany, np. na skutek zmian parametrów układu oddechowego pacjenta (podatności płuc lub oporu dróg oddechowych) a także zmian metabolizmu, powinny być ściśle określone i odpowiadać wymaganiom pacjenta.Optimal selection of mechanical ventilation parameters is essential, especially during long-term ventilation, as it is necessary to select the settings of these parameters (frequency f and tidal volume Vt) so that artificial ventilation is as close as possible to natural breathing (despite the existence of fundamental differences between them). This means that both the initial values of the ventilator's operating parameters and their changes, for example, due to changes in the patient's respiratory parameters (lung compliance or airway resistance) or metabolic changes, should be precisely defined and respond to the patient's requirements.

Obecnie w praktyce klinicznej są używane respiratory, których wartości parametrów pracy są nastawiane ręcznie i są dobierane w dużej mierze w sposób arbitralny. Z konieczności bowiem są uzależnione od doświadczenia anestezjologa i jego oceny stanu zdrowotnego pacjenta. Dobierane w ten sposób wartości parametrów pracy respiratora mogą się jednak znacznie różnić od ich wartości optymalnych, to znaczy takich, które byłyby najkorzystniejsze dla pacjenta będącego w określonym stanie zdrowia. Utrzymanie stężenia CO2 i O2 we krwi tętniczej w wymaganych fizjologicznych zakresach zmian (co jest podstawowym zadaniem sztucznej wentylacji) jest możliwe przy różnych kombinacjach nastaw parametrów pracy respiratora. Wybór zestawu nastaw tych parametrów, które można uznać za optymalny jest ściśle związany z przyjętym kryterium optymalizacji procesu wentylacji płuc.Currently, clinical practice utilizes ventilators whose operating parameters are manually adjusted and selected largely arbitrarily. These parameters are necessarily dependent on the anesthesiologist's experience and assessment of the patient's health status. However, these ventilator operating parameters can differ significantly from their optimal values, meaning those that would be most beneficial for a patient in a given health condition. Maintaining CO2 and O2 concentrations in arterial blood within the required physiological ranges (which is the fundamental task of artificial ventilation) is possible with various combinations of ventilator operating parameter settings. The selection of a set of parameters that can be considered optimal is closely linked to the adopted criterion for optimizing the lung ventilation process.

Znane jest z opisu amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US 4,986,268 rozwiązanie, w którym częstotliwość wentylacji minimalizująca pracę oddechową jest obliczana algorytmicznie i automatycznie nastawiana na podstawie ciągłego pomiaru wartości oporności dróg oddechowych R, podatności układu oddechowego C i objętości przestrzeni martwej Vo. Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest to, że dokładność wyznaczania częstotliwości Fo zależy od dokładności wyznaczania wyżej wymienionych parametrów, a jest to często bardzo trudne w warunkach intensywnej terapii oddechowej.A solution known from the description of the American patent application No. US 4,986,268 is known in which the ventilation frequency that minimizes the work of breathing is calculated algorithmically and automatically adjusted based on continuous measurement of the values of airway resistance R, respiratory system compliance C, and dead space volume Vo. The main disadvantage of this solution is that the accuracy of determining the frequency Fo depends on the accuracy of determining the above-mentioned parameters, which is often very difficult in conditions of intensive respiratory therapy.

Ponadto znane jest z dokumentu US2014318541 A1 urządzenie do sztucznej wentylacji płuc według części przedznamiennej zastrz. 1. Urządzenie to działa w sekwencji pomiar-obliczenie-ustawienie: najpierw mierzy się parametry fizyczne układu oddechowego pacjenta: podatność (K), opór dróg oddechowych (K'), objętość przestrzeni martwej (VD) oraz wymaganą wentylację pęcherzykową (VALV). Następnie wstawia się te zmierzone wartości do z góry zdefiniowanego wzoru matematycznego - równania, które daje w jednym kroku wynik w postaci optymalnej częstotliwości f. Na końcu, w urządzeniu ustawia obliczoną częstotliwość. Jednakże tego typu urządzenie działa dobrze dla pacjentów, którzy zachowują się jak przyjęty uproszczony model matematyczny. W związku z tym nadal istnieje potrzeba opracowania urządzenia optymalnego dla większej grupy pacjentów o nietypowej mechanice oddychania.Furthermore, document US2014318541 A1 discloses a device for artificial lung ventilation according to the preamble of claim 1. This device operates in a measurement-calculation-setting sequence: first, the physical parameters of the patient's respiratory system are measured: compliance (K), airway resistance (K'), dead space volume (VD), and required alveolar ventilation (VALV). These measured values are then inserted into a predefined mathematical formula - an equation that gives in one step the result in the form of the optimal frequency f. Finally, the calculated frequency is set in the device. However, this type of device works well for patients who behave like the assumed simplified mathematical model. Therefore, there is still a need to develop a device optimal for a larger group of patients with unusual breathing mechanics.

Celem wynalazku jest zapewnienie urządzenia oraz sposobu jego sterowania, które służy do automatyzacji sztucznej wentylacji płuc, i które bez udziału personelu medycznego, zapewnia możliwie optymalną częstotliwość wentylacji dającą minimalną moc wentylacji, przy jednoczesnym zachowaniu założonej wentylacji minutowej i stałej mocy oddechowej w fazie wdechu również dla pacjentów o nietypowej mechanice oddychania.The aim of the invention is to provide a device and a method of controlling it, which is used to automate artificial lung ventilation and which, without the participation of medical personnel, ensures the optimal ventilation frequency, giving the minimum ventilation power, while maintaining the assumed minute ventilation and constant respiratory power in the inspiratory phase, also for patients with unusual breathing mechanics.

ISTOTABEING

Zgodnie z pierwszą postacią wynalazek zapewnia urządzenie do automatycznej, wentylacji płuc zawierające elektrycznie sterowane źródło strumienia gazowej mieszanki oddechowej oraz mikrokontroler z pamięcią, przy czym mikrokontroler zawiera układ regulacji zawiera regulator ekstremalny przystosowany do regulacji pracy źródła strumienia, oraz regulator krokowy przystosowany do regulacji pracy źródła strumienia dla osiągnięcia zadanej wartości wentylacji minutowej zapisanej w pamięci mikrokontrolera, zaś układ regulacji jest połączony z centralnym układem sterującym przystosowanym do synchronizowania układu regulacji i aktywizowania regulatora ekstremalnego albo regulatora krokowego. Urządzenie charakteryzuje się tym, że regulator ekstremalny pracuje w trybie stałoprzepływowym poprzez minimalnomocowy dobór częstotliwości pracy Fopt, przy czym minimalnomocowy dobór częstotliwości pracy Fopt w uzyskuje się poprzez modyfikowanie częstotliwości Fo sygnału synchronizacyjnego z krokiem DF zgodnie z formułą Fi=Fi-1 +/-DF aż do uzyskania optymalnej częstotliwości Fop, dla której uzyskuje się minimalną średnią moc oddechową Ni w fazie wdechu, przy zachowaniu ograniczenia zmienności Fi do przedziału Fo =+/-Fg, zaś regulator krokowy pracuje w trybie stałomocowym poprzez dobór mocy sygnału pneumatycznego na wyjściu źródła strumienia aż do uzyskania mocy, dla której wentylacja minutowa równa się wentylacji zadanej. Korzystnie, modyfikowanie mocy N sygnału pneumatycznego na wyjściu źródła strumienia w regulatorze krokowym polega na zmianie z krokiem zgodnie z formułą Ni=Ni-1 +/-DN, aż do chwili zrównania się aktualnej wentylacji minutowej z zadaną wentylacją minutową.According to a first aspect, the invention provides a device for automatic lung ventilation comprising an electrically controlled source of a flow of a breathing gas mixture and a microcontroller with memory, wherein the microcontroller comprises a control system comprising an extreme regulator adapted to regulate the operation of the flow source, and a step regulator adapted to regulate the operation of the flow source to achieve a set value of minute ventilation stored in the memory of the microcontroller, and the control system is connected to a central control system adapted to synchronize the control system and activate the extreme regulator or the step regulator. The device is characterized in that the extreme regulator operates in constant flow mode by selecting the minimum power operating frequency Fopt, wherein the minimum power selection of the operating frequency Fopt is obtained by modifying the frequency Fo of the synchronization signal with a step DF in accordance with the formula Fi = Fi-1 +/-DF until the optimal frequency Fop is obtained, for which the minimum average respiratory power Ni is obtained in the inspiratory phase, while maintaining the variability of Fi limited to the range Fo = +/-Fg, while the stepper regulator operates in constant power mode by selecting the power of the pneumatic signal at the output of the flow source until the power is obtained for which the minute ventilation equals the set ventilation. Preferably, modifying the power N of the pneumatic signal at the output of the flow source in the stepper regulator involves changing it with a step in accordance with the formula Ni = Ni-1 +/-DN, until the current minute ventilation equals the set minute ventilation.

Korzystnie, modyfikowanie mocy N sygnału pneumatycznego na wyjściu źródła 1 strumienia q w regulatorze krokowym polega na zmianie z krokiem DN zgodnie z formułą Ni=Ni-1 +/-DN, aż do chwili zrównania się aktualnej wentylacji minutowej VMi z zadaną wentylacją minutową VMo.Preferably, modifying the power N of the pneumatic signal at the output of the source 1 of the flow q in the stepper controller consists in changing it with a step DN in accordance with the formula Ni=Ni-1 +/-DN, until the current minute ventilation VMi is equal to the set minute ventilation VMo.

Korzystnie mikrokontroler zawiera kalkulator wentylacji minutowej oraz kalkulator średniej mocy, przy czym kalkulator wentylacji minutowej jest przystosowany do ciągłego obliczania aktualnej wentylacji minutowej VMi, a kalkulator mocy średniej jest przystosowany do ciągłego obliczania aktualnej średniej mocy oddechowej Ni.Preferably, the microcontroller comprises a minute ventilation calculator and an average power calculator, wherein the minute ventilation calculator is adapted to continuously calculate the current minute ventilation VMi and the average power calculator is adapted to continuously calculate the current average respiratory power Ni.

Korzystnie mikrokontroler zawiera kalkulator wentylacji minutowej oraz kalkulator średniej mocy, przy czym kalkulator jest przystosowany do ciągłego obliczania aktualnej wentylacji minutowej, a kalkulator średniej mocy jest przystosowany do ciągłego obliczania aktualnej średniej mocy oddechowej.Preferably, the microcontroller comprises a minute ventilation calculator and an average power calculator, wherein the calculator is adapted to continuously calculate the current minute ventilation and the average power calculator is adapted to continuously calculate the current average respiratory power.

Korzystnie, źródło strumienia zawiera ośmiosegmentową pompę membranową w układzie gwiazdowym.Preferably, the flow source comprises an eight-segment diaphragm pump in a star configuration.

W innej postaci, istota wynalazku polega na tym, że zapewnia się sposób sterowania urządzeniem do automatycznej wentylacji płuc, zawierającym elektrycznie sterowane źródło strumienia q gazowej mieszanki oddechowej oraz mikrokontroler z pamięcią charakteryzujący się tym, że obejmuje następujące etapy: zapisywania co najmniej jednej zadanej wartości nastaw będącej wartością wentylacji minutowej w pamięci mikrokontrolera, regulacji ekstremalnej pracy źródła strumienia poprzez dobór optymalnej częstotliwości, regulacji krokowej pracy źródła strumienia q dla osiągnięcia wartości wentylacji minutowej VMo zapisanej w pamięci mikrokontrolera. Sposób charakteryzuje się tym, że zawiera ponadto etap uruchamiania synchronizacji układu regulacji prostokątnym sygnałem synchronizacji o częstotliwości początkowej, oraz że etap regulacji ekstremalnej odbywa się w trybie stałoprzepływowym poprzez minimalnomocowy dobór częstotliwości pracy Fopt, przy czym minimalnomocowy dobór częstotliwości pracy Fopt w regulatorze ekstremalnym 51 uzyskuje się poprzez modyfikowanie częstotliwości Fo sygnału synchronizacyjnego z krokiem DF zgodnie z formułą Fi =Fi-1 +/-DF aż do uzyskania optymalnej częstotliwości Fopt, dla której uzyskuje się minimalną średnią moc oddechową Ni w fazie wdechu, przy zachowaniu ograniczenia zmienności Fi do przedziału Fo =+/- Fg oraz tym, że etap regulacji krokowej odbywa się w trybie stałomocowym poprzez modyfikowanie mocy N sygnału pneumatycznego na wyjściu źródła strumienia q aż do uzyskania mocy N, dla której wentylacja minutowa VM równa się wentylacji zadanej VMo.In another embodiment, the essence of the invention consists in providing a method of controlling a device for automatic lung ventilation, comprising an electrically controlled source of a stream q of a breathing gas mixture and a microcontroller with memory, characterized in that it comprises the following steps: saving at least one preset setting value being the value of minute ventilation in the microcontroller memory, regulating the extreme operation of the stream source by selecting the optimal frequency, stepwise regulation of the operation of the stream source q to achieve the value of minute ventilation VMo stored in the microcontroller memory. The method is characterized in that it further comprises a step of starting the synchronization of the control system with a rectangular synchronization signal with an initial frequency, and that the extreme regulation step is performed in a constant flow mode by means of a minimum power selection of the operating frequency Fopt, wherein the minimum power selection of the operating frequency Fopt in the extreme regulator 51 is obtained by modifying the frequency Fo of the synchronization signal with a step DF in accordance with the formula Fi =Fi-1 +/-DF until the optimal frequency Fopt is obtained, for which the minimum average respiratory power Ni is obtained in the inspiratory phase, while maintaining the limitation of the variability Fi to the range Fo =+/- Fg, and that the step regulation step is performed in a constant power mode by modifying the power N of the pneumatic signal at the output of the flow source q until the power N is obtained, for which the minute ventilation VM is equal to the set ventilation VMo.

Korzystnie, w etapie regulacji pracy źródła strumienia w trybie stałomocowym modyfikowanie mocy sygnału pneumatycznego na wyjściu źródła strumienia polega na zmianie z krokiem DN mocy N zgodnie z formułą Ni=Ni-i +/-DN, aż do chwili zrównania się aktualnej wentylacji minutowej z zadaną wentylacją minutową VMo.Advantageously, in the stage of regulating the operation of the flow source in the constant power mode, the modification of the power of the pneumatic signal at the output of the flow source consists in changing the power N with a DN step in accordance with the formula Ni=Ni-i +/-DN, until the current minute ventilation is equal to the set minute ventilation VMo.

ZALETYADVANTAGES

Dzięki wyznaczaniu częstotliwości wentylacji Fo metodą szukania automatycznego minimalnej wartości mocy oddechowej w fazie wdechu, omija się konieczność uzyskiwania bieżących wartości R, C i Vo dla realizacji nastawy Fo, a przez to unika się błędów pomiarowych tych wartości, które wpływałyby niekorzystnie na dokładność nastawy częstotliwości wentylacji Fo.By determining the ventilation frequency Fo by automatically searching for the minimum value of respiratory power in the inspiratory phase, the need to obtain the current values of R, C and Vo for the implementation of the Fo setting is avoided, and thus measurement errors of these values that would adversely affect the accuracy of the ventilation frequency Fo setting are avoided.

Dzięki specyficznemu kryterium minimalizacji mocy oddechowej w przypadku sztucznej wentylacji płuc, optymalne nastawy częstotliwości wentylacji Fo, a zatem i objętości oddechowej, znajdą się w zakresie akceptowalnych klinicznie wartości.Thanks to the specific criterion of minimizing respiratory power in the case of artificial lung ventilation, the optimal settings of the ventilation frequency Fo, and therefore the tidal volume, will be within the range of clinically acceptable values.

Z uwagi na występujące podczas długotrwałej sztucznej wentylacji płuc powolne zmiany wartości parametrów mechanicznych układu oddechowego (podatności płuc i oporów dróg oddechowych) minimum mocy oddechowej przemieszcza się. Dzięki zastosowaniu układu regulacji ekstremalnej, bieżące wartości częstotliwości wentylacji oscylują wokół wartości optymalnych. Jak wykazały badania cyklu oddechowego, częstotliwość oddechu spontanicznego również oscyluje wokół pewnej wartości uważanej za optymalną.Due to the slow changes in the mechanical parameters of the respiratory system (lung compliance and airway resistance) that occur during long-term artificial lung ventilation, the minimum respiratory power shifts. Thanks to the use of an extreme regulation system, the current ventilation frequency fluctuates around optimal values. As studies of the respiratory cycle have shown, the spontaneous breathing frequency also fluctuates around a certain value considered optimal.

Dzięki zastosowaniu układu sterowania, który zawiera dwa krokowe regulatory, wynalazek zapewnia automatyzację procesu poszukiwania optymalnej częstotliwości pracy urządzenia tzn. częstotliwości, przy której jest osiągana minimalna i jednocześnie stała w czasie wdechu moc strumienia gazu oddechowego, co według badań klinicznych minimalizuje maksymalne ciśnienie wdechowe i istotnie zmniejsza zagrożenie baro i wolu traumą.Thanks to the use of a control system that includes two step regulators, the invention ensures automation of the process of searching for the optimal operating frequency of the device, i.e. the frequency at which the minimum and at the same time constant power of the respiratory gas stream is achieved during inhalation, which, according to clinical studies, minimizes the maximum inspiratory pressure and significantly reduces the risk of baro- and volu-trauma.

Dzięki krokowemu sposobowi regulacji w regulatorze wentylacji minutowej i w regulatorze ekstremalnym mocy strumienia mieszanki oddechowej, wprowadza się fluktuację DN mocy oraz częstotliwości DF, co także według badań klinicznych jest korzystne dla pacjenta, ponieważ podobnie dzieje się w oddechu naturalnym, który charakteryzuje się zmiennością częstotliwości oddechowej i amplitudy strumienia oddechowego.Thanks to the step-by-step regulation method in the minute ventilation regulator and in the extreme power regulator of the respiratory mixture flow, fluctuations in DN power and DF frequency are introduced, which, according to clinical studies, is beneficial for the patient, because a similar situation occurs in natural breathing, which is characterized by variability in the respiratory frequency and amplitude of the respiratory flow.

OPIS FIGUR RYSUNKUDESCRIPTION OF THE DRAWING FIGURES

Urządzenie według wynalazku zostało szczegółowo przedstawione w przykładach realizacji w odniesieniu do załączonych figur rysunku, na których:The device according to the invention is shown in detail in embodiment examples with reference to the attached drawings, in which:

Fig. 1 przedstawia schemat ogólny urządzenia do automatycznej, stałomocowej wentylacji płuc według wynalazku;Fig. 1 shows a general diagram of the device for automatic, constant power lung ventilation according to the invention;

Fig. 2 przedstawia schemat sterowanego elektrycznie źródła strumienia lub mocy pneumatycznej według pierwszego przykładu realizacji;Fig. 2 is a diagram of an electrically controlled pneumatic flux or power source according to a first embodiment;

Fig. 3 przedstawia schemat systemu z jednym, centralnym mikrokontrolerem pomiarowo-sterującym według drugiego przykładu realizacji;Fig. 3 shows a diagram of a system with one central measurement and control microcontroller according to the second embodiment;

Fig. 4 przedstawia sieć działań sposobu sterowania urządzeniem według wynalazku.Fig. 4 shows a flow chart of the method of controlling the device according to the invention.

OPIS PRZYKŁADÓW WYKONANIADESCRIPTION OF EXAMPLES OF PERFORMANCE

W opisie przyjęto następujące rozumienie terminów: 'połączony' oznacza zarówno połączenie bezpośrednie jak i pośrednie pomiędzy dwoma elementami.The following understanding of the terms is adopted in the description: 'connected' means both a direct and indirect connection between two elements.

Zgodnie z pierwszym przykładem realizacji przedstawionym na fig. 1 urządzenie 100 do automatycznej, stałomocowej wentylacji płuc według wynalazku zawiera sterowane elektrycznie źródło 1 strumienia q połączone z mikrokontrolerem 7. Elektryczne źródło 1 strumienia q ma końcówkę wyjściową 1a wyprowadzającą strumień q oddechowej mieszanki gazowej poprzez odpowiedni połączony z tą końcówką przewód, zakończony aparatem (np. rurką intubacyjną, maską itd., nie pokazano) przystosowanym do interakcji z układem oddechowym pacjenta. Sterująco-pomiarowy mikrokontroler 7 zawiera wiele podzespołów, takich jak kalkulator 2 wentylacji minutowej, kalkulator 3 średniej mocy, układ regulacji 5, centralny układ sterujący 6 oraz rejestr 4 wartości zadanych. Z wejściami sterowanego elektrycznego źródła 1 strumienia q połączony jest kalkulator 2 wentylacji minutowej oraz kalkulator 3 średniej mocy. Układ regulacji 5, zawiera dwa regulatory, tj. regulator krokowy 52 wentylacji minutowej oraz regulator ekstremalny 51 mocy średniej. Układ regulacji 5 jest połączony odpowiednio z kalkulatorem 2 wentylacji minutowej oraz kalkulatorem 3 średniej mocy, a także z elektrycznym źródłem 1 strumienia q oraz centralnym układem sterującym 6. Rejestr 4 wartości zadanych jest połączony z układem regulacji 5 oraz centralnym układem sterowania 6.According to a first embodiment shown in Fig. 1, a device 100 for automatic, constant power lung ventilation according to the invention comprises an electrically controlled source 1 of a flow q connected to a microcontroller 7. The electrical source 1 of a flow q has an output end 1a discharging a flow q of a respiratory gas mixture through a suitable conduit connected to this end, terminated with a device (e.g., endotracheal tube, mask, etc., not shown) adapted to interact with the patient's respiratory system. The control and measurement microcontroller 7 comprises a number of components, such as a minute ventilation calculator 2, an average power calculator 3, a control system 5, a central control system 6, and a setpoint register 4. The minute ventilation calculator 2 and the average power calculator 3 are connected to the inputs of the controlled electrical source 1 of a flow q. The control system 5 comprises two regulators, i.e., a step regulator 52 of minute ventilation and an extreme regulator 51 of average power. The control system 5 is connected to the minute ventilation calculator 2 and the average power calculator 3, as well as to the electric source 1 of the flow q and the central control system 6. The setpoint register 4 is connected to the control system 5 and the central control system 6.

Elektryczne źródło 1 strumienia q lub mocy pneumatycznej N=p*q według wynalazku zostało pokazane bardziej szczegółowo na fig. 2 oraz fig. 3, przy czym w przykładzie realizacji pokazanym na fig. 2, elektryczne źródło 1 strumienia q lub mocy pneumatycznej N=p*q jest zbudowane tak, że może stanowić jeden samodzielny podzespół fizyczny zdatny do wykorzystania w różnych większych urządzeniach. Należy rozumieć, że moc pneumatyczna N=p*q jest przeważnie tożsama pojęciowo mocy oddechowej, stosowanej wymiennie w niniejszym opisie.The electric source 1 of flow q or pneumatic power N=p*q according to the invention is shown in more detail in Fig. 2 and Fig. 3, wherein in the embodiment shown in Fig. 2, the electric source 1 of flow q or pneumatic power N=p*q is constructed so that it can constitute one independent physical component suitable for use in various larger devices. It should be understood that the pneumatic power N=p*q is usually conceptually identical to the respiratory power, which is used interchangeably in the present description.

Jak pokazana na fig. 2, pompa 12 wraz z silnikiem 11 oraz sterownikiem 17 silnika oraz mikrokontrolerem 16 tworzą samodzielne, sterowane elektrycznie źródło 1 strumienia q mieszanki gazowej pobieranej przez końcówkę ssącą 12b pompy 12. Ciśnienie wyjściowe p pompy 12 jest mierzone za pomocą przetwornika pneumo-elektrycznego 13, korzystnie typu piezorezystancyjnego, na którego wyjściu 13a otrzymuje się napięcie proporcjonalne do ciśnienia p.As shown in Fig. 2, the pump 12 together with the motor 11 and the motor controller 17 and the microcontroller 16 form an independent, electrically controlled source 1 of the gas mixture stream q drawn through the suction end 12b of the pump 12. The output pressure p of the pump 12 is measured by means of a pneumo-electric transducer 13, preferably of the piezoresistive type, at the output 13a of which a voltage proportional to the pressure p is obtained.

Elektrycznie sterowane źródło 1 strumienia q ma końcówki 1b do 1f, którymi podawane są albo wyprowadzane odpowiednie sygnały.The electrically controlled source 1 of the flow q has terminals 1b to 1f through which the appropriate signals are supplied or output.

Mianowicie, końcówką wejściową 1 b podawany jest sygnał qo strumienia gazowej mieszanki oddechowej zadanego w trybie stałoprzepływowym, końcówką wejściową 1c podawany jest sygnał NZ mocy zadanej sygnału pneumatycznego w trybie stałomocowym, końcówką wejściową 1d podawany jest sygnał WT sygnału logicznego wyboru trybu pracy źródła 1, zaś końcówką wyjściową 1 e podawany jest sygnał q(t) wartości chwilowej strumienia dostarczanego przez pompę 12, a końcówką wyjściową 1f podawany jest sygnał p(t) wartości chwilowej ciśnienia mierzonego w końcówce (p, q) pompy 12.Namely, the input terminal 1 b is fed with the signal qo of the breathing gas mixture stream set in the constant flow mode, the input terminal 1c is fed with the signal NZ of the set power of the pneumatic signal in the constant power mode, the input terminal 1d is fed with the signal WT of the logical signal of the source 1 operation mode selection, the output terminal 1 e is fed with the signal q(t) of the instantaneous value of the stream supplied by the pump 12, and the output terminal 1f is fed with the signal p(t) of the instantaneous value of the pressure measured at the tip (p, q) of the pump 12.

Wcześniej omówiona końcówka wyjściowa 1 a, elektrycznego źródła 1, wypuszczająca gazową mieszankę oddechową opisywaną parametrami ciśnienia oraz strumienia (p, q) jest połączona z końcówką wyjściową 12a pompy 12. Pompa 12 jest napędzana silnikiem elektrycznym 11, korzystnie bezszczotkowym, prądu stałego. Jego wał napędowy obraca się z prędkością obrotową n, która jest mierzona przez tachoprądnicę sztywno powiązaną z silnikiem 11. Na jej elektrycznym wyjściu 11a, otrzymuje się sygnał napięciowy un proporcjonalny do prędkości obrotowej n, który jest następnie podawany do wejścia pomiarowego 17b sterownika 17 silnika. Z wyjścia 17c sterownika 17 silnika do końcówki 11 b silnika przesyłany jest prąd zasilający jego uzwojenia. Sterownik 17 silnika spełnia rolę regulatora prędkości obrotowej silnika. W efekcie prędkość obrotowa n wału silnika 11 równa się, z dokładnością do błędu regulacji, prędkości zadanej nz.The previously discussed output terminal 1a of the electric source 1, which discharges a breathing gas mixture described by pressure and flow parameters (p, q), is connected to the output terminal 12a of the pump 12. The pump 12 is driven by an electric motor 11, preferably a brushless DC motor. Its drive shaft rotates at a rotational speed n, which is measured by a tachogenerator rigidly coupled to the motor 11. Its electrical output 11a produces a voltage signal un proportional to the rotational speed n, which is then fed to the measuring input 17b of the motor controller 17. From the output 17c of the motor controller 17, the current supplying the motor windings is sent to the motor terminal 11b. The motor controller 17 acts as a motor speed regulator. As a result, the rotational speed n of the motor shaft 11 equals, within the control error, the set speed nz.

Mikrokontroler 16 zawiera przetwornik analogowo-cyfrowy AC1 19, a także drugi przetwornik analogowo-cyfrowy AC2 20, z wejściem analogowym AC2a. Do wejścia przetwornika AC1a podawane jest napięcie (proporcjonalne do ciśnienia) z wyjścia 13a przetwornika pneumo-elektrycznego 13. Natomiast na wejście analogowe AC2a jest podawany sygnał wartości zadanej NZ mocy N=p*q strumienia pneumatycznego w kanale wyjściowym 12a pompy 12. Sygnały wyjściowe przetworników AC1 oraz AC2 podlegają operacji dzielenia w aplikacji komputerowej mikrokontrolera 16, co przedstawiono symbolicznie jako blok dzielący 14, będący w istocie podprogramem komputerowym.The microcontroller 16 contains an analog-to-digital converter AC1 19, and a second analog-to-digital converter AC2 20, with an analog input AC2a. The input of the transducer AC1a is supplied with a voltage (proportional to the pressure) from the output 13a of the pneumoelectric transducer 13. The analog input AC2a is supplied with a signal of the setpoint value NZ of the power N=p*q of the pneumatic flow in the output channel 12a of the pump 12. The output signals of the transducers AC1 and AC2 are divided in the computer application of the microcontroller 16, which is symbolically represented as a dividing block 14, which is in fact a computer subroutine.

Wynik dzielenia jest podawany do wejścia 15a programowego przełącznika 15, również pokazanego w postaci bloku. Z kolei do drugiego wejścia 15b przełącznika 15 jest podawany sygnał z wyjścia AC3b trzeciego przetwornika analogowo-cyfrowego AC3 21, do którego wejścia AC3a jest przekazywany sygnał wartości zadanej qo strumienia q mieszanki gazowej w stałoprzepłwowym trybie pracy źródła 1. Sygnał z wyjścia 15d przełącznika 15 trybu pracy jest podawany do wejścia CA18a przetwornika CA 18. To, który z dwóch sygnałów wejściowych przełącznika 15, dotyczących strumienia q, jest przesyłany z wyjścia CA18b przetwornika CA 18 do wejścia 17a sterownika 17, zależy od wartości logicznej sygnału wyboru trybu pracy na końcówce wejściowej 1d źródła 1, na którą podawany jest sygnał WT wyboru trybu pracy. Wykonanie wspomnianej cyfrowej operacji dzielenia (uwidocznionej symbolicznie jako blok dzielący 14) i logicznej operacji wyboru trybu pracy przełącznika 15 trybu pracy (symboliczny przełącznik 15) dokonywanej pod wpływem sygnału sterującego WT jest zadaniem aplikacji programowej mikrokontrolera 16.The result of the division is fed to input 15a of software switch 15, also shown in the form of a block. In turn, the second input 15b of switch 15 is fed with a signal from the AC3b output of the third analog-to-digital converter AC3 21, to whose AC3a input the setpoint value signal qo of the gas mixture flow q in the constant-flow operating mode of source 1 is transferred. The signal from the output 15d of operating mode switch 15 is fed to the CA18a input of CA 18 converter. Which of the two input signals of switch 15, relating to flow q, is transmitted from the CA18b output of CA 18 converter to the input 17a of controller 17, depends on the logical value of the operating mode selection signal at input terminal 1d of source 1, to which the WT operating mode selection signal is fed. The execution of the mentioned digital division operation (shown symbolically as a division block 14) and the logical operation of selecting the operating mode of the operating mode switch 15 (symbolic switch 15) performed under the influence of the WT control signal is the task of the software application of the microcontroller 16.

W trybie stałomocowym, wartość mocy zadanej NZ wprowadzona do sterowanego elektrycznie źródła 1 i dzielona algebraicznie w bloku dzielącym 14 przez wartość ciśnienia p, daje wartość prędkości zadanej nz i tym samym wartość strumienia wyjściowego q odpowiadającą pożądanej mocy NZ=p*q w kanale tłoczącym pompy.In the constant power mode, the value of the set power NZ introduced into the electrically controlled source 1 and divided algebraically in the dividing block 14 by the pressure value p, gives the value of the set speed nz and thus the value of the output flow q corresponding to the desired power NZ=p*q in the pump discharge channel.

W trybie stałoprzepływowym, sygnał wartości zadanej qo strumienia q jest doprowadzany przez przełącznik 15 trybu pracy bezpośrednio do wejścia 17a sterownika 17 silnika.In constant flow mode, the setpoint value signal qo of the flow q is supplied via the operating mode switch 15 directly to the input 17a of the motor controller 17.

Opisaną operację dzielenia, reprezentowaną przez blok 14, można wykonać w technice analogowej jednak w praktyce tylko układ komputerowy może dać potrzebną dokładność operacji, zwłaszcza w obszarze ciśnienia p bliskiego zeru.The described division operation, represented by block 14, can be performed in analog technology, but in practice only a computer system can provide the required accuracy of the operation, especially in the pressure region p close to zero.

Fizyczna budowa sterowanego elektrycznie źródła 1 strumienia lub mocy mieszanki oddechowej według wynalazku umożliwia prace w dwóch przełączalnych trybach: albo w trybie stałoprzepływowym, albo w trybie stałomocowym. Istotą konstrukcji tego źródła jest zastosowanie sterownika silnika 11 pompy 12, a w konsekwencji uzyskanie sterowanego elektrycznie pneumatycznego źródła strumienia mieszanki oddechowej, zbudowanego przy jednoczesnym użyciu napędzanej silnikiem elektrycznym pompy pneumatycznej - korzystnie typu tłokowego lub membranowego (np. wielosegmentowego w układzie gwiazdowym). Szczególnie, dla uzyskania takich trybów pracy, korzystne cechy ma wolnoobrotowa pompa wielosegmentowa zapewniająca praktycznie stałą własną podatność wyjściową urządzenia w całym cyklu oddechowym. Przykładowo w przypadku zastosowania pompy ośmiosegmentowej, wahania jej podatności własnej, a także strumienia wyjściowego nie przekroczą (+/-) 4% ich chwilowej wartości nominalnej, wynikającej z prędkości obrotowej n silnika napędowego.The physical structure of the electrically controlled breathing mixture flow or power source 1 according to the invention enables operation in two switchable modes: either constant flow mode or constant power mode. The essence of this source's design is the use of a motor controller 11 of the pump 12, and consequently, obtaining an electrically controlled pneumatic breathing mixture flow source constructed using a pneumatic pump driven by an electric motor—preferably a piston or diaphragm pump (e.g., multi-segment in a star configuration). A low-speed multi-segment pump is particularly advantageous for achieving such operating modes, ensuring a virtually constant internal output compliance of the device throughout the entire breathing cycle. For example, in the case of using an eight-segment pump, fluctuations in its internal compliance and output flow will not exceed (+/-) 4% of their instantaneous nominal value, resulting from the rotational speed n of the drive motor.

Szczegółowy schemat blokowy urządzenia do automatycznej, stałomocowej wentylacji płuc z fig. 1 według wynalazku, przedstawiono na fig. 3. W tym przykładzie realizacji, podobnie jak na fig. 1, elektryczne źródło 1 strumienia q lub mocy pneumatycznej N=p*q według wynalazku jest zbudowane tak, że stanowi integralny podzespół fizyczny większego urządzenia jakim jest urządzenie do automatycznej, stałomocowej wentylacji płuc według wynalazku. W szczegółowym schemacie blokowym na fig. 3 pokazano podukłady zawarte w blokach funkcjonalnych na fig. 1. Urządzenie ma charakter hybrydowy i ma część komputerową 7, korzystnie w postaci mikrokontrolera 7, realizującą program pomiarowo-sterujący oraz część analogową, spełniającą funkcję pomiarowo-wykonawczą urządzenia, w skład której wchodzą: silnik elektryczny 11 ze zintegrowaną tachoprądnicą, wielosegmentowa (korzystnie ośmiosegmentowa) pompa 12 oraz przetwornik pneumoelektryczny 13 ciśnienia p.A detailed block diagram of the device for automatic, constant power lung ventilation of the invention from Fig. 1 is shown in Fig. 3. In this embodiment, similarly to Fig. 1, the electric source 1 of flow q or pneumatic power N=p*q according to the invention is constructed so that it constitutes an integral physical component of a larger device, which is the device for automatic, constant power lung ventilation according to the invention. The detailed block diagram in Fig. 3 shows the subsystems included in the functional blocks in Fig. 1. The device is of a hybrid nature and has a computer part 7, preferably in the form of a microcontroller 7, implementing the measurement and control program, and an analog part performing the measurement and execution function of the device, which includes: an electric motor 11 with an integrated tachogenerator, a multi-segment (preferably eight-segment) pump 12, and a pneumoelectric pressure transducer 13 p.

W tym konkretnym, bardziej szczegółowym, przykładzie realizacji zastosowano elektrycznie sterowane źródło 1 według drugiego przykładu realizacji, innego niż pokazanego na fig. 2. Sterowane elektrycznie źródło 1 strumienia lub mocy pneumatycznej pokazane na fig. 3 ma identyczną strukturę analogową jak źródło 1 pokazane w pierwszym przykładzie realizacji na fig. 2. W źródle 1 w drugim przykładzie realizacji, brak jest osobnego mikrokontrolera 16, w szczególności jego przetworników AC2 oraz AC3, a pozostałe jego elementy (wraz z aplikacją komputerową) są włączone do programu pomiarowo-sterującego mikrokontrolera 7 należącego ogólnie do urządzenia 100 do automatycznej, stałomocowej wentylacji płuc.In this specific, more detailed, embodiment, an electrically controlled source 1 according to a second embodiment, different from the one shown in Fig. 2, is used. The electrically controlled source 1 of the flow or pneumatic power shown in Fig. 3 has an identical analog structure as the source 1 shown in the first embodiment in Fig. 2. In the source 1 in the second embodiment, there is no separate microcontroller 16, in particular its transducers AC2 and AC3, and the remaining elements thereof (together with a computer application) are incorporated into the measuring and control program of the microcontroller 7 belonging generally to the device 100 for automatic, constant power lung ventilation.

W części elektromechanicznej źródła 1 zastosowano korzystnie ośmiosegmentową pompę membranową 12 w układzie gwiazdowym. Na fig. 3 uwidoczniono jedynie trzy segmenty górne oraz wyjściowe i wejściowe końcówki pneumatyczne: 12a kolektora tłoczącego i 12b kolektora ssącego pompy 12. Jednakże specjalista z dziedziny będzie wiedział, że można zastosować również inne pompy.In the electromechanical part of the source 1, an eight-segment diaphragm pump 12 in a star configuration is advantageously used. In Fig. 3, only the three upper segments and the pneumatic output and input ends are shown: 12a of the pressure manifold and 12b of the suction manifold of the pump 12. However, the skilled person will recognize that other pumps can also be used.

Bloki funkcjonalne takie jak kalkulator 2 wentylacji minutowej, kalkulator 3 średniej mocy, centralny układ sterujący 6 oraz rejestr 4 wartości zadanych są w istocie podprogramami aplikacji, przy czym wszystkie realizują zadania wyznaczone przez program centralnego układu sterującego 6 synchronizowanego generatorem systemowym 35 korzystnie zaopatrzonym w zegar kwarcowy. Poszczególne operacje wykonywane przez bloki funkcjonalne 2, 3 oraz 4 zostały przedstawione osobnymi blokami. Na fig. 3 zobrazowano również schemat funkcjonalnych połączeń sygnałowych pomiędzy poszczególnymi blokami urządzenia 100, m.in. między rejestrem 4 wartości zadanych a układem regulacji 5 oraz centralnym układem sterowania 6.Functional blocks such as minute ventilation calculator 2, average power calculator 3, central control system 6, and setpoint register 4 are essentially application subroutines, all of which perform tasks specified by the program of the central control system 6 synchronized with a system generator 35, preferably equipped with a quartz clock. Individual operations performed by functional blocks 2, 3, and 4 are presented in separate blocks. Fig. 3 also illustrates a diagram of the functional signal connections between individual blocks of device 100, including between setpoint register 4 and the regulation system 5 and the central control system 6.

Jak pokazano na fig. 3 mikrokontroler 7 zawiera również programowy układ regulacji 5, który zawiera dwa regulatory, tj. regulator krokowy 52 wentylacji minutowej oraz regulator ekstremalny 51 mocy średniej. Zostały one przedstawione osobnymi blokami. Osobnymi podblokami zostały również pokazane odpowiednie podzespoły kalkulatora 2 aktualnej wentylacji minutowej oraz kalkulatora 3 aktualnej średniej mocy oddechowej, które są połączone zarówno ze źródłem 1 strumienia q jak również z układem regulacji 5.As shown in Fig. 3, the microcontroller 7 also includes a software control system 5, which includes two controllers: a minute ventilation step controller 52 and an average power extreme controller 51. These are presented in separate blocks. Separate subblocks also show the corresponding components of the current minute ventilation calculator 2 and the current average respiratory power calculator 3, which are connected to both the flow source 1 q and the control system 5.

Pierwszy podblok 25 całkujący kalkulatora 2 aktualnej wentylacji minutowej VMi odpowiada za operację wyznaczania objętości oddechowej. Aby mogła ona zostać zrealizowana potrzebny jest sygnał/informacja o wartości strumienia q(t), zaś sygnał wyjściowy po tej operacji jest podawany na wejście podbloku 26.The first integrating subblock 25 of the current minute ventilation calculator 2 VMi is responsible for determining the tidal volume. This requires a signal/information about the flow rate q(t), and the output signal from this operation is fed to the input of subblock 26.

Drugi podblok 26 kalkulatora bieżącej objętości oddechowej kalkulatora 2 aktualnej wentylacji minutowej VMi odpowiada za operację obliczania średniej kroczącej objętości oddechowej. Aby mogła ona zostać zrealizowana potrzebny jest sygnał/informacja o bieżącej Vi oraz poprzedniej Vi-i objętości oddechowych, zaś sygnał wyjściowy po tej operacji jest podawany na podblok 27 mnożarki do obliczania objętości minutowej VMi.The second subblock 26 of the current tidal volume calculator of the current minute ventilation calculator 2 (VMi) is responsible for calculating the moving average tidal volume. This requires a signal/information about the current Vi and previous Vi-i tidal volumes, and the output signal after this operation is fed to the multiplier subblock 27 for calculating the minute volume (VMi).

Trzeci podblok 27 mnożarki kalkulatora 2 aktualnej wentylacji minutowej VMi odpowiada za operację mnożenia algebraicznego. Aby mogła ona zostać zrealizowana potrzebny jest sygnał/informacja o bieżącej objętości oddechowej Vi oraz częstotliwości oddechowej Fi, zaś sygnał wyjściowy, tj. wartość VMi po tej operacji jest podawany na wejście 52a pomiarowe regulatora krokowego 52.The third sub-block 27 of the calculator 2 current minute ventilation multiplier VMi is responsible for the algebraic multiplication operation. To perform this operation, a signal/information about the current tidal volume Vi and respiratory frequency Fi is required, and the output signal, i.e., the VMi value after this operation, is fed to the measuring input 52a of the stepper controller 52.

Ponadto podblok 31 tzn. kalkulator bieżącej mocy Ni kalkulatora 3 aktualnej średniej mocy oddechowej Ni odpowiada za operację mnożenia algebraicznego. Aby mogła ona zostać zrealizowana potrzebny jest sygnał/informacja o bieżącej wartości ciśnienia p i strumienia q, zaś sygnał wyjściowy po tej operacji jest podawany na podblok 32 całkujący.In addition, subblock 31, i.e., the current power calculator Ni of the current average respiratory power calculator 3 Ni, is responsible for the algebraic multiplication operation. To perform this operation, a signal/information about the current value of pressure p and flow q is required, and the output signal after this operation is fed to the integrating subblock 32.

Podblok 32 całkujący kalkulacji bieżącej pracy Li zlokalizowany w kalkulatorze 3 aktualnej średniej mocy oddechowej Ni odpowiada za operację całkowania mocy chwilowej w okresie Ti wdechu. Aby mogła ona zostać zrealizowana potrzebny jest sygnał/informacja o wartości mocy bieżącej Ni, zaś sygnał wyjściowy po tej operacji jest podawany na podblok 33.The integration subblock 32 for calculating the current workload Li, located in the calculator 3 for the current average respiratory power Ni, is responsible for integrating the instantaneous power during the inspiratory period Ti. This integration requires a signal/information about the current power value Ni, and the output signal after this operation is fed to subblock 33.

Podblok 33 tzn. kalkulator uśrednionej wartości pracy zlokalizowany w kalkulatorze 3 aktualnej średniej mocy oddechowej Ni odpowiada za operację obliczania kroczącej średniej pracy Li. Aby mogła ona zostać zrealizowana potrzebny jest sygnał/informacja o wartości pracy Li-1 poprzedniego cyklu oraz wartości aktualnej pracy Li, zaś sygnał wyjściowy po tej operacji jest podawany na podblok 34 mnożący.Subblock 33, i.e. the calculator of the average work value located in calculator 3 of the current average respiratory power Ni, is responsible for the operation of calculating the moving average work Li. To implement it, a signal/information about the work value Li-1 of the previous cycle and the value of the current work Li is required, and the output signal after this operation is fed to the multiplying subblock 34.

Podblok 34 mnożący kalkulatora 3 aktualnej średniej mocy oddechowej Ni odpowiada za operację obliczania bieżącej średniej mocy NZo. Aby mogła ona zostać zrealizowana potrzebny jest sygnał/informacja o wartości średniej pracy Li oraz częstotliwości oddechowej Fi, zaś sygnał wyjściowy po tej operacji jest podawany na wejście 52e regulatora krokowego 52 zapewniającego uzyskanie zadanej wentylacji minutowej VMo.The multiplying sub-block 34 of the calculator 3 of the current average respiratory power Ni is responsible for calculating the current average power NZo. To perform this calculation, a signal/information about the average work value Li and the respiratory frequency Fi is required, and the output signal after this operation is fed to the input 52e of the stepper controller 52 ensuring the achievement of the set minute ventilation VMo.

Jak pokazano na fig. 4, zgodnie z pokazaną tam siecią działań, sposób sterowania urządzeniem według wynalazku zawiera następujące etapy. W pierwszym etapie parametry pracy są wprowadzane do rejestrów 4 wartości zadanych - w praktyce do pamięci 4 mikrokontrolera 7. Wprowadzane parametry zadane to:As shown in Fig. 4, in accordance with the flowchart shown therein, the method of controlling the device according to the invention comprises the following steps. In the first step, the operating parameters are entered into the 4 setpoint registers – in practice, into the memory 4 of the microcontroller 7. The entered setpoint parameters are:

+/-DN - krok zmiany mocy, z którym regulator krokowy 52 wentylacji minutowej zmienia moc+/-DN - power change step with which the 52 minute ventilation step regulator changes the power

N sygnału pneumatycznego na wyjściu (p, q) źródła 1,N pneumatic signal at the output (p, q) of source 1,

VMo - zadana wentylacja minutowa wprowadzana przez lekarza,VMo - set minute ventilation entered by the physician,

Fo - początkowa(startowa) częstotliwość oddechowa wprowadzana przez lekarza, +/-Fg - granice dopuszczalnych zmian częstotliwości oddechowej, +/-DF - krok zmiany częstotliwości, z którym regulator ekstremalny 51 poszukuje częstotliwości F, przy której średnia moc oddechowa osiąga wartość minimalną,Fo - initial (starting) respiratory frequency entered by the physician, +/- Fg - limits of permissible changes in the respiratory frequency, +/- DF - frequency change step with which the extreme regulator 51 searches for the frequency F at which the average respiratory power reaches the minimum value,

K - współczynnik wypełnienia określający proporcję czasową między wdechem i wydechem,K - filling factor defining the time proportion between inhalation and exhalation,

W drugim etapie, na podstawie VMo, Fo oraz k wyznaczane są w centralnym układzie sterującym 6, początkowe warunki pracy regulatora ekstremalnego 51. W chwili startu urządzenia 100 aktywny jest regulator ekstremalny 51 i tryb stałoprzepływowy źródła 1 strumienia q.In the second stage, based on VMo, Fo and k, the initial operating conditions of the extreme controller 51 are determined in the central control system 6. At the moment of starting the device 100, the extreme controller 51 and the constant flow mode of the source 1 of stream q are active.

W trzecim etapie centralny układ sterujący 6 generuje prostokątny sygnał synchronizujący S na dwóch poziomach logicznych (0,1) o początkowej częstotliwości Fo. Później w czwartym iteracyjnym etapie regulacji, częstotliwość Fo sygnału synchronizującego S jest modyfikowana z krokiem DF przez regulator ekstremalny 5i.In the third stage, the central control unit 6 generates a rectangular synchronizing signal S at two logical levels (0,1) with an initial frequency Fo. Later, in the fourth iterative regulation stage, the frequency Fo of the synchronizing signal S is modified in steps DF by the extreme controller 5i.

We wspomnianym czwartym iteracyjnym etapie regulacji, w kolejnych i-tych krokach(cyklach) częstotliwość jest modyfikowana zgodnie z formułą Fi =Fi-i +/-DF aż do osiągnięcia minimalnej średniej mocy oddechowej Ni w fazie wdechu, przy zachowaniu ograniczenia zmienności Fi do przedziału Fo =+/-Fg.In the mentioned fourth iterative regulation stage, in the subsequent i-th steps (cycles) the frequency is modified according to the formula Fi =Fi-i +/-DF until the minimum average respiratory power Ni in the inspiratory phase is achieved, while maintaining the limitation of Fi variability to the range Fo =+/-Fg.

Po osiągnięciu minimum średniej mocy oddechowej Ni w fazie wdechu, w piątym etapie centralny układ sterujący 6 zmienia tryb pracy źródła 1 na stałomocowy poprzez wystawienie wybranego stanu logicznego sygnału WT, aktywizując jednocześnie regulator krokowy 52 wentylacji minutowej VM.After reaching the minimum average respiratory power Ni in the inspiratory phase, in the fifth stage the central control system 6 changes the operating mode of source 1 to constant power by setting the selected logical state of the WT signal, simultaneously activating the stepper regulator 52 of minute ventilation VM.

W piątym iteracyjnym etapie regulacji, regulator krokowy 52 wentylacji minutowej VM zmienia z krokiem DN moc N zgodnie z formułą Ni=Ni-1 +/-DF, aż do chwili zrównania się aktualnej wentylacji minutowej VMi z zadaną wentylacją minutową VMo. W momencie osiągnięcia zadanej wentylacji minutowej VMo, centralny układ sterowania 6 nadal utrzymuje znalezioną optymalną częstotliwość Fopt, która jest przyjmowana za stałą wartość średnią częstotliwości oddechowej. Optymalna częstotliwośćIn the fifth iterative regulation step, the stepper regulator 52 of the minute ventilation VM changes the power N in steps of DN according to the formula Ni=Ni-1 +/-DF, until the current minute ventilation VMi is equal to the set minute ventilation VMo. When the set minute ventilation VMo is reached, the central control system 6 continues to maintain the found optimal frequency Fopt, which is assumed to be a constant average value of the respiratory frequency. The optimal frequency

Fopt jest jednak dalej programowo, przypadkowo modyfikowana w kolejnych cyklach oddechowych o krok +/-DF (wokół Fopt). Wartość kroku modyfikującego jest taka, jak ta przyjęta uprzednio przy poszukiwaniu ekstremum średniej mocy. Optymalna częstotliwość Fopt jest modyfikowana zawsze tak, by w dłuższym okresie n cykli (np. 10) była zachowana jej średnia wartość równa Fopt. W ten sposób zapewnia się fizjologicznie korzystny sposób pracy urządzenia do automatycznej, stałomocowej wentylacji płuc według wynalazku (respiratora) dający pożądaną zmienność warunków oddechu zarówno jego rytmu jak i intensywności wprowadzonej z kolei przez regulator krokowy 52 wentylacji minutowejFopt is, however, still modified randomly in subsequent respiratory cycles by a +/- DF step (around Fopt). The modifying step value is the same as the one previously adopted when searching for the extreme of the average power. The optimal Fopt frequency is always modified so that over a longer period of n cycles (e.g., 10), its average value equal to Fopt is maintained. This ensures a physiologically advantageous mode of operation of the device for automatic, constant power lung ventilation according to the invention (ventilator), providing the desired variability of breathing conditions, both its rhythm and the intensity of minute ventilation introduced by the step regulator 52.

Innymi słowy, regulator ekstremalny 51, poszukuje z krokiem DF optymalnej częstotliwości oddechowej Fopt, w stałoprzepływowym trybie wentylacji płuc(q=const), która daje minimalną średnią moc oddechową(N=p*q) przy zadanej wentylacji minutowej VMo płuc.In other words, the extreme regulator 51 searches with a DF step for the optimal respiratory frequency Fopt, in the constant flow mode of lung ventilation (q=const), which gives the minimum average respiratory power (N=p*q) at the set minute ventilation VMo of the lungs.

Z drugiej strony, regulator krokowy 52 wentylacji minutowej VM, w stałomocowym trybie wentylacji, pracujący z optymalną Fopt częstotliwością wentylacji (znalezioną przez krokowy regulator ekstremalny), poszukuje z krokiem DN mocy, dla której wentylacja minutowa VM równa się wentylacji zadanej VMo.On the other hand, the step controller 52 of minute ventilation VM, in constant power ventilation mode, operating at the optimal ventilation frequency Fopt (found by the extreme step controller), searches with a step DN for the power for which the minute ventilation VM is equal to the set ventilation VMo.

Zerojedynkowy (0,1) sygnał WT wychodzący z centralnego układu sterującego 6 służy do wyboru trybu pracy źródła 1. Sygnał WT aktywizuje jeden z regulatorów 51 lub 52. Gdy aktywizowany jest regulator ekstremalny 51, to źródło 1 strumienia q pracuje w trybie stałoprzepływowym, a gdy aktywizowany jest regulator krokowy 52 wentylacji minutowej WM, to źródło 1 strumienia q pracuje w trybie stałomocowym.The zero-one (0,1) WT signal coming from the central control system 6 is used to select the operating mode of source 1. The WT signal activates one of the regulators 51 or 52. When the extreme regulator 51 is activated, the source 1 of the flow q operates in the constant flow mode, and when the stepper regulator 52 of the minute ventilation WM is activated, the source 1 of the flow q operates in the constant power mode.

Niezależnie od wybranego trybu pracy, zarówno w etapie czwartym regulacji i w etapie piątym regulacji, przez cały czas pracy urządzenia 100, następuje obliczanie w kalkulatorze 2 aktualnej wentylacji minutowej VMi oraz obliczanie w kalkulatorze 3 aktualnej średniej mocy oddechowej N± zgodnie z operacjami opisanymi wcześniej.Regardless of the selected operating mode, both in the fourth stage of regulation and in the fifth stage of regulation, throughout the entire operation of the device 100, the current minute ventilation VMi is calculated in calculator 2 and the current average respiratory power N± is calculated in calculator 3 in accordance with the operations described earlier.

Innymi słowy sposób sterowania urządzeniem 100 według wynalazku można podzielić na dwie fazy: w fazie pierwszej, za pomocą regulatora ekstremalnego 51, startując z zadanej przez lekarza częstotliwości początkowej Fo (zapisanej w rejestrze 4 wartości zadanych) z krokiem DF, znajduje się w kolejnych cyklach oddechowych częstotliwość optymalną Fopt, dla której moc wentylacji N osiąga wartość minimalną. W tej fazie regulacji, dzięki zastosowaniu stałoprzepływowego trybu wentylacji (stały strumień q mieszanki oddechowej) jest zachowana stała wentylacja minutowa VM pomimo zmiennej częstotliwości F wentylacji.In other words, the method of controlling the device 100 according to the invention can be divided into two phases: in the first phase, using the extreme controller 51, starting from the initial frequency Fo set by the physician (stored in the register of 4 setpoint values) with a step DF, in subsequent respiratory cycles the optimal frequency Fopt is found, for which the ventilation power N reaches the minimum value. In this control phase, thanks to the use of a constant flow ventilation mode (constant flow q of the breathing mixture), a constant minute ventilation VM is maintained despite the variable ventilation frequency F.

W drugiej fazie przyjmuje się stałą częstotliwość wentylacji równą częstotliwości optymalnej Fopt znalezionej przez regulator ekstremalny 51 w etapie pierwszym. Oznacza to wyłączenie poszukiwania nowej częstotliwości wentylacji i przejście z trybu pracy stałoprzepływowej (q=const) na tryb pracy stałomocowej (N=const) oraz poszukiwanie w kolejnych cyklach z krokiem DN wartości mocy N, przy której wentylacja minutowa VM będzie równa wartości zadanej, poczynając od wartości No mocy oddechowej równej średniej mocy oddechowej zmierzonej w ramach ostatniego cyklu pracy w etapie pierwszym.In the second phase, a constant ventilation frequency is assumed, equal to the optimal frequency Fopt found by the extreme controller 51 in the first stage. This means that the search for a new ventilation frequency is switched off and the constant flow mode (q = const) is switched to the constant power mode (N = const) and the search is carried out in subsequent cycles with a DN step for the power value N at which the minute ventilation VM will be equal to the setpoint, starting from the value of respiratory power No, equal to the average respiratory power measured in the last work cycle in the first stage.

Zastosowania wynalazkuApplications of the invention

Wynalazek, w pierwszym rzędzie, może być stosowany w konstrukcji respiratorów do długotrwałej wentylacji płuc, przeznaczonych dla oddziałów intensywnej terapii. Ponadto, samo elektrycznie sterowane źródło strumienia gazu lub mocy pneumatycznej może znaleźć zastosowanie w laboratoriach, jako element generatora arbitralnych przebiegów pneumatycznych np. w badaniach głowic pomiarowych przepływomierzy i spirometrów.The invention can be primarily used in the design of long-term lung ventilation ventilators intended for intensive care units. Furthermore, the electrically controlled gas flow or pneumatic power source itself can find applications in laboratories, as a component of a generator of arbitrary pneumatic waveforms, for example, in testing the measuring heads of flowmeters and spirometers.

Claims

Patent claims

1. A device for automatic lung ventilation comprising an electrically controlled source (1) of a flow (q) of a breathing gas mixture and a microcontroller (7) with memory, wherein the microcontroller (7) comprises a control system (5) comprising

- an extreme regulator (51) adapted to regulate the operation of the source (1) of the flow (q), and - a stepper regulator (52) adapted to regulate the operation of the source (1) of the flow (q) to achieve the set value of minute ventilation (VMo) stored in the memory of the microcontroller (7), and the regulation system (5) is connected to the central control system (6) adapted to synchronize the regulation system (5) and activate the extreme regulator (51) or the stepper regulator (52), characterized in that the extreme regulator (51) operates in a constant flow mode by means of a minimum power selection of the operating frequency (Fopt), wherein the minimum power selection of the operating frequency (Fopt) is obtained by modifying the frequency (Fo) of the synchronization signal with a step (DF) in accordance with the formula Fi =Fi-i +/-DF until the optimal frequency (Fopt) is obtained, for which the minimum average respiratory power (Ni) is obtained in the inspiratory phase, while maintaining the limitation of the variability (Fi) to the range Fo =+/-Fg, and the stepper regulator (52) operates in constant power mode by selecting the power (N) of the pneumatic signal at the output of the flow source (1) (q) until obtaining the power (N) for which the minute ventilation (VM) is equal to the set ventilation (VMo).

2. A device according to claim 1, characterized in that the modification of the power (N) of the pneumatic signal at the output of the flow source (1) (q) in the step controller (52) consists in changing it with a step (DN) in accordance with the formula Ni=Ni-1 +/-DN, until the current minute ventilation (VMi) is equal to the set minute ventilation (VMo).

3. A device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the microcontroller (7) comprises a minute ventilation calculator (2) and an average power calculator (3), wherein the calculator (2) is adapted to continuously calculate the current minute ventilation (VMi) and the average power calculator (3) is adapted to continuously calculate the current average respiratory power (Ni).

4. A device according to claim 1 or claim 2 or claim 3, characterized in that the source (1) of the stream (q) comprises an eight-segment diaphragm pump (12) in a star configuration.

5. A method of controlling a device for automatic lung ventilation, comprising an electrically controlled source (1) of a stream (q) of a breathing gas mixture and a microcontroller (7) with memory, wherein the method comprises the following steps:

- saving at least one setpoint value being the value of minute ventilation (VMo) in the microcontroller memory (7),

- regulation of the extreme operation of the flow source (1) (q) by selecting the optimal frequency - step regulation of the operation of the flow source (1) (q) to achieve the value of minute ventilation (VMo) stored in the microcontroller memory, characterized in that it further comprises a step of starting the synchronization of the control system (5) with a rectangular synchronization signal with an initial frequency (Fo), and that the extreme regulation step is performed in a constant-flow mode by means of a minimum-power selection of the operating frequency (Fopt), wherein the minimum-power selection of the operating frequency (Fopt) in the extreme regulator (51) is obtained by modifying the frequency (Fo) of the synchronization signal with a step (DF) in accordance with the formula Fi =Fi-1 +/-DF until the optimal frequency (Fopt) is obtained, for which the minimum average respiratory power (Ni) is obtained in the inspiratory phase, while maintaining the limitation of the variability (Fi) to the range Fo =+/-Fg and that the step regulation step is performed in a constant-power mode by modifying the power (N) of the pneumatic signal at the output of the flow source (1) (q) until the power (N) is reached for which the minute ventilation (VM) equals the set ventilation (VMo).

6. The method according to claim 5, characterized in that in the step of regulating the operation of the flow source (1) (q) in the constant power mode, the modification of the power (N) of the pneumatic signal at the output of the flow source (1) (q) consists in changing the power (N) with a step (DN) in accordance with the formula Ni=Ni-1 +/-DN, until the current minute ventilation (VMi) is equal to the set minute ventilation (VMo).

7. Control method according to claim 5, characterized in that the microcontroller (7) comprises a minute ventilation calculator (2) and an average power calculator (3), wherein the minute ventilation calculator (2) continuously calculates the current minute ventilation (VMi) and the average power calculator (3) continuously calculates the current average respiratory power (Ni).