Как работает аппарат ИВЛ и кто его изобрел?
Аббревиатура ИВЛ расшифровывается как аппарат искусственной вентиляции легких. При коронавирусе инфекция поражает легкие человека, и в тяжелых случаях возникает необходимость искусственно вентилировать их, чтобы поддержать оптимальный объем содержания кислорода в крови пациента. Сегодня аппарат ИВЛ — это многофункциональная рабочая станция, 24 часа в сутки отслеживающая состояние пациента. Изобретена же технология была почти 600 лет назад: мешок с несложной системой трубок использовал еще швейцарский врач и алхимик Парацельс.
Изначально ИВЛ использовались для помощи детям, родившимся в асфиксии — удушье, обусловленном кислородным голоданием, — либо внезапно умерших людей, а также для поддержания жизни при внезапном прекращении самостоятельного дыхания. В 1530 году Парацельс успешно применил вентиляцию через специальный ротовой воздуховод с кожаными мехами, предназначенными для раздувания огня в камине. С того времени меха и дыхательные подушки различных конструкций для проведения неотложной ИВЛ получили широкое распространение и постоянно совершенствовались.
В 17 веке британский священник Стивен Хейлс создал один из ручных аппаратов для вдувания воздуха в легкие, а его соотечественник, хирург Джон Хантер, сконструировал двойной мех с направляющими клапанами. Однако уже к середине 19 столетия стало очевидно, что такой способ реанимации слишком часто приводит к разрыву легких пациента, и вдувание воздуха мехами практически перестали использовать.
Первый прототип современных аппаратов ИВЛ назывался «Пульмотор». В публикации Das Werden des Pulmotors («Рождение “Пульмотора”») основатель небольшой немецкой компании Heinrich&Bernhard Dräger Генрих Дрегер изложил свои идеи относительно разработки аппарата искусственного дыхания. Устройство поочередно создавало положительное и отрицательное давление в дыхательных путях и работало на сжатом кислороде. В 1907 году Генрих Дрегер получил патент на разработку аппарата. Паттерн искусственного дыхания регулировался посредством модифицированного механизма хода с кулачковой шайбой. Для Генриха Дрегера физиологической функцией, которую требовалось заместить, являлись регулярные движения легких. Поэтому для своего аппарата он выбрал технический принцип, который гарантировал фиксированную продолжительность вдоха и выдоха.
Весь остальной мир, включая тех, кто продолжал совершенствование «Пульмотора», следовал иному принципу. Паттерн искусственного дыхания работал на переключении между вдохом и выдохом при достижении определенного давления. Такие устройства ИВЛ оказались в то время более стабильными, более надежными и точными, хотя современные аппараты преимущественно переключаются именно по времени.
Энергию, которая требовалась для работы механизма вентиляции, давал сжатый газ, поступавший из баллона «Пульмотора», то есть кислород шел не только на медицинские нужды для пациента, но и служил источником энергии для аппарата. Кислород смешивался с окружающим воздухом и поступал через «всасывающее сопло» в систему трубок. В течение нескольких десятилетий «Пульмотор» был серией автономных изделий. Основной областью его применения была экстренная реанимация.
Первый «Пульмотор» запустили в производство в 1908 году. К 1913 году в эксплуатации находилось 3000 «Пульмоторов» — для того времени это очень большое количество экземпляров. Десятью годами позже количество аппаратов выросло вдвое, достигнув почти 6000, а через 38 лет их стало более 12 000.
Споры вокруг технологии среди ученых не утихали: у разработки были как сторонники, так и ярые противники. Начало критике положили врачи-исследователи в 1920-х годах: они предполагали, что давление вентиляции может иметь опасное воздействие на сердце и легкие пациента. Тем не менее, в 1922 году немецкий департамент здравоохранения на основании имевшихся сведений вынес заключение об отсутствии возражений против использования вентиляции с положительным давлением с точки зрения воздействия на здоровье.
В 20-е и 30-е годы ХХ века аппараты ИВЛ получали всё большее распространение в мире. Уже в 1931 году американец Ральф Уотерс доказал, что искусственная вентиляция легких во время анестезии с одинаковой эффективностью производится как ручным мешком, так и мехом с электрическим приводом, а в 1938 году появился автоматический «Spiropulsator» шведского хирурга Кларенса Крафорда.
К середине ХХ века учеными была сформулирована концепция открытия легких. Было доказано, что поддержание положительного давления в конце выдоха (ПДКВ) позволяет увеличить функциональную остаточную емкость легких, улучшить газообмен, а также осуществлять профилактику «ателектотравмы» легких вследствие постоянного открытия и закрытия альвеол во время искусственного дыхания.
ИВЛ после Второй мировой войны: «железные легкие» и новый принцип вентиляции
До конца 50-х годов XX века во многих странах случались эпидемии полиомиелита — вирусного заболевания, поражающего спинной мозг и нервную систему человека. Многие пациенты нуждались в вентиляции легких, что вызвало высокий спрос на аппараты ИВЛ для клинического применения. Вскоре после Второй мировой войны возросла потребность в аппаратах ИВЛ, которые могли бы искусственно поддерживать дыхание продолжительно и даже пожизненно. Поставленная задача привела к разработке различных устройств, которые в техническом или эксплуатационном плане в некоторой степени отличались от «Пульмотора».
Одним из таких устройств был большой жесткий контейнер, в который помещали пациента. Этот аппарат был назван «железные легкие», хотя более точно механизм работы описывает термин «железная грудь», поскольку жесткий контейнер выполнял функцию второй грудной клетки. Гибкая диафрагма обеспечивала переменное давление и призводила вентиляцию, как искусственная диафрагма. Разработка этой технологии велась с самого начала 20 века, но при борьбе с последствиями эпидемии полиомиелита приборы начали использоваться массово.
С появлением «железных легких» существенно повысилась выживаемость в случаях дыхательного паралича, вызванного полиомиелитом. К недостаткам можно отнести существенный объем пространства для размещения прибора и более сложный уход за пациентом. Дальнейшее развитие «железных легких» связано с торакальным вентилятором, который подавал давление только к грудной клетке. Например, одышка у новорожденных также лечится в камере отрицательного давления, работающей по тому же принципу, что и «железные легкие».
В 1950-х годах в профессиональных кругах начинает проявляться повышенный интерес к терапевтической вентиляции легких. При оценке вентиляции медицинский персонал был вынужден полагаться скорее на субъективные клинические ощущения, чем на точные измеряемые параметры. Без знания точных дыхательных объемов предустановленные значения могли навредить пациенту. Больные либо страдали от недостаточного количества дыхательной смеси, либо подвергались значительному стрессу вследствие ее избыточного объема.
Результаты скандинавских исследований способствовали тому, что вентиляция с положительным давлением с ее широкими возможностями управления снова обрела значимость. Работа шла по двум направлениям: первое — дальнейшее развитие управляемой по давлению вентиляции с контролем дыхательного объема, второе — фиксированная предустановка объемов вентиляции.
Для этих новых задач разрабатывались как аппараты ИВЛ с регулировкой по давлению, так и с постоянным объемом, которые одно время существовали бок о бок. В области вентиляции с переключением по давлению успешный принцип «Пульмотора» получил дальнейшее развитие в новых разработках. Помимо регулировки давления, общей характеристикой таких приборов была возможность содействия самостоятельному дыханию. То есть пациенты могли инициировать аппаратное дыхание посредством собственных попыток дышать.
В 1970-х годах подход к применению аппаратов ИВЛ изменился: в приоритете стало исключение ущерба легким. ИВЛ — это не симуляция дыхания, а его замещение, которое сопровождается неизбежными побочными эффектами. Ориентация на то, чтобы не навредить пациенту, появилась так поздно из-за фундаментального различия между аппаратной вентиляцией и физиологическим дыханием в фазе вдоха.
В естественном процессе внутренний объем грудной клетки увеличивается за счет сокращения дыхательной мускулатуры. Это формирует в легких отрицательное давление, и воздух всасывается внутрь. В искусственной вентиляции — обратный принцип. Устройство создает положительное давление и таким образом вдавливает дыхательную смесь в легкие. Давление при этом может оказывать воздействие на легкие и другие органы.
Самые важные функциональные элементы аппарата ИВЛ — устройство дозирования дыхательной смеси и клапан выдоха. Создаваемое давление работает по принципу мехов и вентилирует легкие. Во время выдоха дыхательная смесь при нормальных условиях не подается, поскольку она автоматически выходит из легких через открытый клапан выдоха.
Это фундаментальный принцип работы большинства вентиляторов. Однако качество дозирования дыхательной смеси в более старых устройствах значительно отличается от современных. Тогда временные интервалы для подачи дыхательной смеси определяло само устройство. Если происходил дисбаланс между дыханием пациента и аппаратной вентиляцией, единственным решением было введение пациенту седативных средств.
Современные аппараты ИВЛ: перспективы и проблемы разработки
Новые поколения аппаратов, разработанные в 50-х годах XX века, позволили значительно расширить область применения вентиляции. Помимо обслуживания пациентов после полиомиелита, обычной практикой стала послеоперационная вентиляция и ингаляционная терапия при хронических заболеваниях легких. При этом, несмотря на повышение возможностей применения, аппаратная вентиляция оставалась относительно простым методом.
Однако современные системы ИВЛ поднялись на ступень выше Современные технологии уже сегодня позволяют обеспечивать интеграцию ключевых функций сразу нескольких устройств посредством использования центральной рабочей станции: она сочетает в себе задачи отображения и управления мониторами пациентов, блоками терапии и больничной информационной системой. В будущем жизненно важные параметры и прогресс лечения станет возможно отслеживать, а результаты отслеживания — анализировать. Информация будет отображаться в единых формах, что поможет идентифицировать состояние пациента быстро и интуитивно — данные станут более целенаправленными. Именно в этом направлении искусственная вентиляция легких и система оказания неотложной помощи в целом будут двигаться в самом ближайшем будущем.
Развитие технологий способствовало повышению ожиданий со стороны пользователей аппаратов: в частности, врачи требовали больше возможностей по управлению — например, функцию контроля над объемом легочной вентиляции. Более того, продолжительность процесса нужно было регулировать при помощи настраиваемых параметров, а не просто в зависимости от легочной механики пациента. Требовалась вентиляция с заданным дыхательным объемом и управлением по времени.
Следующим поколением аппаратов ИВЛ стали «Универсальные аппараты ИВЛ»: UV1, представленный в 1977 году, и UV-2. В них использовалась традиционная вентиляция легких мешком, унаследованная от предыдущих поколений, при которой дыхательная смесь высасывалась из мешка и под давлением подавалась в легкие. В этих устройствах управление и контроль осуществлялись уже электронным способом.
Серия ИВЛ-аппаратов EV-A стала первой, где предлагалась возможность графического мониторинга. Кривые вентиляции, числовые данные и текстовые сообщения — все это отображалось на экране, встроенном в аппарат. С тех пор графический мониторинг на встроенном экране стал частью базовой конфигурации оборудования ИВЛ для интенсивной терапии.
В середине 80-х годов было разработано новое поколение приборов ИВЛ. Теперь аппаратную вентиляцию можно было еще лучше адаптировать к самостоятельному дыханию, а качественное графическое разрешение и
появление цветных экранов усовершенствовали процесс передачи информации через изображение и текст. В 90-е годы в конструкции ИВЛ впервые был использован сенсорный экран.
В начале 21 века в аппаратах начала использоваться фундаментально новая технология дозирования дыхательной смеси, а также новое программное обеспечение для управления данными. Параллельно разработчики занимались расширением существовавших линеек устройств — например, в области лечения стационарных и амбулаторных пациентов, требующих меньшей степени наблюдения и терапии при ИВЛ.
Для лечения амбулаторных пациентов была разработана система медицинской помощи на дому с использованием аппаратов ИВЛ, удовлетворяющих специфическим и часто более низким требованиям, нежели те, что применяются в классической интенсивной терапии. Эксплуатация таких устройств доступна любому человеку, а не только квалифицированному персоналу. Аппараты предлагали все стандартные методы ИВЛ с управлением по давлению и объему, а также поддержку давлением самостоятельного дыхания.
Современные аппараты ИВЛ — это не отдельные приборы, а целые комплексы, или рабочие станции, выполняющие сразу ряд функций. Такие рабочие станции объединяют отдельные устройства отделения интенсивной терапии в компактный блок с несколькими дисплеями, посредством которых можно управлять всеми доступными функциями подключенной техники.
Это тоже интересно:
