Аппараты ИВЛ и три закона Ньютона

В статье автор показывает использование законов Ньютона при проектировании и функционировании аппаратов искусственной вентиляции лёгких.

Ключевые слова: законы Ньютона, аппарат ИВЛ, давление.

Актуальность темы статьи обуславливается развитием пандемии COVID -19. По состоянию на 15 ноября 2020 года, в ходе пандемии было зарегистрировано свыше 54 млн случаев заболевания. [3]

Опасность данного заболевания заключается в значительном количестве осложнений, большей частью на лёгкие больного, которые зачастую приводят к летальному исходу. Одним из средств поддержки больных с тяжёлыми осложнениями, вызывающие поражение лёгких, является применение аппарата искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ).

Авторы этого изобретения (1927г.) — Филипп Дринкер и Луис Агазиз Шоу мл. Аппарат ИВЛ представляет собой медицинское оборудование, обеспечивающие принудительное подачу кислорода или сжатого осушенного воздуха в лёгкие. За счёт этого достигается как обогащение крови кислородом, так и транспортировка углекислого газа из организма. [1, 3]

Сейчас в России эксплуатируются более 42 тыс. аппаратов [5].

В процессе терапии используется ИВЛ двух видов: инвазивной и неинвазивной. При этом может использоваться как ручной аппарат ИВЛ (мешок Амбу), так и механический.

Рассмотрим схему работы аппарата ИВЛ (Рисунок 1) на примере инвазивной вентиляции лёгких. Так для долгосрочной инвазивной вентиляции лёгких рассекается трахея, и в образовавшееся отверстие вставляется трахеостомическая трубка. Через трубку в легкие подается дыхательная смесь.

Схематично аппарат можно представить, как взаимодействие системы подводки газов, аппарата, осуществляющего смешивание газа и его подачу в дыхательные пути и системы отвода воздушной смеси. Современный аппарат ИВЛ предполагает установление параметров вдыхаемой смеси, включая объём, частоту и анализ выдыхаемого воздуха. Оператор устанавливает вышеуказанные параметры, и газ поступает в камеру, после чего осуществляется открытие клапанов вдоха, и дыхательная смесь поступает в лёгкие пациента. Таким образом устройство и функционирование аппаратов ИВЛ основаны на использовании законов классической механики И. Ньютона.

Рис. 1. Схема аппарата ИВЛ [1, 6]

Эти законы были описаны английским учёным Исааком Ньютоном в 1687 году в книге «Математические начала натуральной философии».

Рассмотрим, каким образом данные законы были использованы в процессе создания аппарата ИВЛ.

Первый закон или закон инерциальных систем отсчёта описывает свойство тела сохранять скорость своего движения неизменной по величине и направлению, когда не действуют никакие силы, а также свойство тела сопротивляться изменению его скорости [2]. Таким образом, чтобы изменить скорость тела следует приложить некую силу, результат действия которой будет зависеть от массы тела, к которому приложена данная сила. В соответствии с данным законом ИВЛ рассматривается как инерционная система, в которой должно обеспечиваться движение дыхательной смеси. В свою очередь, движение дыхательной смеси обеспечивается за счёт разницы давления. Давление в аппарате ИВЛ выше, чем в лёгких человека. Здесь давление рассматривается как сила, приложенная к единице площади, и измеряется в миллибарах или в сантиметрах водного столба. То есть для того, чтобы обеспечить поток, необходимо приложить давление, которое, в свою очередь, будет зависеть от объёма вдыхаемого воздуха, частоты вдоха и сопротивления дыхательных путей. Объём — это произведение потока на время вдоха или площадь под кривой потока. Записывается формулой:

Vт= V х Тi (1),

где V — поток, л/мин, а Ti — длительность вдоха, мин.

При расчёте давления на дыхательную смесь используется второй закон Ньютона, который ставит в прямую зависимость ускорение от равнодействующих сил и в обратную зависимость — от массы тела. Соответственно учитывается сила сопротивления лёгких движению дыхательной смеси, сила подачи дыхательной смеси в лёгкие и упругость лёгких и грудной клетки. Сопротивление путей воздушному потоку зависит от длины, диаметра и проходимости дыхательных путей эндотрахиальной трубки и дыхательного контора аппарата ИВЛ. [2,4]

Третий закон Ньютона гласит о том, что сила действия одного тела на другое равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Этот закон может быть рассмотрен для взаимодействия двух материальных точек: аппарата ИВЛ и пациента. И может быть описана формулой:

Pmus + Pvent = Pelastic + Presistive (2),

где Pmus — мышечное усилие пациента, миллибары, Pvent — давление, создаваемое аппаратом ИВЛ, миллибары, Pelastic — упругость легких и грудной клетки, миллибары, Presistive — сопротивление потоку воздуха в дыхательных путях, миллибары.

Таким образом, законы Ньютона позволяют определить параметры, которыми необходимо управлять в процессе вентиляции лёгких, создавать интеллектуальные программы для расчёта значений таких показателей, как сопротивление дыхательных путей и лёгких и, в итоге, позволяет создать целостное представление о взаимодействии аппарата ИВЛ с пациентом.

Литература:

1. Аппарат ИВЛ: принцип работы, клинические показания //Режим доступа: https://stormoff.ru/mediacenter/articles/article_249/
2. Википедия.Законы Ньютона //Режим доступа: https://ru. wikipedia.org /wiki/ %D0 %97 %D0 %B0 %D 0 %BA %D0 %BE %D0 %BD %D1 %8B_ %D0 %9 D %D1 %8C %D1 %8E %D1 %82 %D0 %BE %D0 %BD %D0 %B0
3. Википедия.Короновирус //Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/ wiki/ %D0 %9F %D0 %B0 %D0 %BD %D0 %B4 %D0 %B5 %D0 %BC %D0 %B8 %D1 %8F_COVID-19
4. Горячев А. С., Савин И. А. Основы ИВЛ//Аксиом График Юнион, М., 2019
5. Грошева М. Эксперты назвали количество аппаратов ИВЛ в России //Режим доступа: https://medvestnik.ru/content/news/Eksperty-nazvali-kolichestvo-apparatov-IVL-v-Rossii.html
6. Искусственная вентиляция легких (ИВЛ): инвазивная и неинвазивная респираторная поддержка //Режим доступа: https://unimedica.ru/info/blog/ iskusstvennaya-ventilyatsiya-legkikh/