Biomedicínské základy umělé plicní ventilace

Transkript

1 Biomedicínské základy umělé plicní ventilace doc. Ing. Karel Roubík, Ph.D. ČVUT v Praze, Fakulta biomedicínského inženýrství e mail: roubik@fbmi.cvut.cz, tel.:

2 Umělá plicní ventilace

6 Výměna plynů Transport plynů Výměna plynů Míchání plynů

7 Výměna plynů Transport plynů Jak moc? Jak snadno? Jak? Výměna plynů Míchání plynů

8 Výměna plynů Transport plynů Jak moc? Jak snadno? Jak? Výměna plynů Míchání plynů Jak moc? Jak snadno? Jak?

11 Ventilační rovnice Konvenční ventilační rovnice Q A = (V T V D ). f

12 Ventilační rovnice HFOV nemůže fungovat Konvenční ventilační rovnice Q A = (V T V D ). f Vysokofrekvenční (oscilační) ventilace V T V D... ŽÁDNÁ výměna plynů?

13 Ventilační rovnice Konvenční ventilační rovnice Q A = (V T V D ). f Vysokofrekvenční (oscilační) ventilace V T V D Q A = (V T V D ). f= 0 Musíexistovat ventilační rovnice pro HFOV Výměna plynů při HFOV nemůže být popsána tak jednoduše, jako je popsána při CMV

14 Izokapnická ventilace V T k f 0. 5 k f

15 Ventilační rovnice Konvenční ventilační rovnice Vysokofrekvenční (oscilační) ventilace Q A = (V T V D ). f V T a k f, a = 0.5 Pro malé změny a když V T >> V D : V T k f Pro změny v HFOV frekvencích: V T k f

16 Ventilační rovnice Konvenční ventilační rovnice Vysokofrekvenční (oscilační) ventilace Q A = (V T V D ). f V T a k f, a = 0.5 Pro malé změny a když V T >> V D : V T k f Pro změny v HFOV frekvencích: 1 2 V T k 4 f

17 Reálné proudění plynů Dechový objem V T

18 Modely proudění plynů Pístový model Konvekčně difuzní model Exspir. plyn Podélný Průtok Inspirium V T V T Inspir. plyn Smíšený plyn Příčná difuze Exspirium Exspir. plyn Smíšený plyn

19 Asymetrické profily proudění

20 Asymetrické profily proudění

21 Výměna plynů 1. konvekce difuze 2. disperze 3. pendelluft 4. asymetrické rychlostní profily 5. kardiogenní míchání 6. molekulární difuze 7. další efekty Krishnan, J. A. et al. Chest 2000;118:

22 Časové konstanty

23 Pendelluft effect Segment A má menší časovou konstantu než segment B. před inspiriem před exspiriem A B A B

24 Pendelluft effect Segment A má menší časovou konstantu než segment B. inspirium před exspiriem A B A B

25 Pendelluft effect Segment A má menší časovou konstantu než segment B. inspirium před exspiriem A B A B

26 Pendelluft effect Segment A má menší časovou konstantu než segment B. konec inspiria před exspiriem A B A B

27 Pendelluft effect Segment A má menší časovou konstantu než segment B. před exspiriem před exspiriem A B A B

28 Umělá plicní ventilace je nefyziologická Inspirium Pneumothorax Zdravá plíce

29 Dinosauři... Zdeněk Burian, 1941

30 Velcí dinosauři Sauropodi Hmotnosti: Diplodocus Apatosaurus Brachiosaurus Sauroposeidon Argentinosaurus (Titanosaurus) t t t t t Bruhathkayosaurus, Amphicoelias > 100 t všichni sauropodi > 5 t

31 Velcí dinosauři Sauropodi Hmotnosti: Diplodocus Apatosaurus Brachiosaurus Sauroposeidon Argentinosaurus (Titanosaurus) t t t t t Typická evropská kráva: 600 kg Bruhathkayosaurus, Amphicoelias > 100 t všichni sauropodi > 5 t

32 Velcí dinosauři Sauropodi Hmotnosti: Diplodocus Apatosaurus Brachiosaurus Sauroposeidon Argentinosaurus (Titanosaurus) t t t t t Typická evropská kráva: 600 kg Bruhathkayosaurus, Amphicoelias > 100 t všichni sauropodi > 5 t Vytvořen ení Titanosaura: Slepení krav dohromady.

33 Velikosti Sauropodů Délky dinosaurů: Amphicoelias: 40?62 m Bruhathkayosaurus:?28?44 m Argentinosaurus: m Supersaurus: 35 m Diplodocus: 33 m Sauroposeidon: m Barosaurus: m Hladina >10 m Plíce Délka krku většiny dinosaurů >10 m

34 Jak hluboko můžeme šnorchlovat? Inspirium: hydrostatický tlak p h v hloubce h musí být překonán dých. svaly v alveolárním prostoru: atmosférický tlak p atm (plíce jsou spojené s povrchem) okolo hrudníku (a v kapilárách): p atm + p h Hladina h Plíce

35 Jak hluboko můžeme šnorchlovat? Inspirium: hydrostatický tlak p h v hloubce h musí být překonán dých. svaly v alveolárním prostoru: atmosférický tlak p atm (plíce jsou spojené s povrchem) okolo hrudníku (a v kapilárách): p atm + p h Hladina h Dýchací svaly jsou schopny krátkodobě vyvinout podtlak v plicích maximálně 10 kpa. Plíce Protože 100 kpa (1 atm) odpovídá 10 m vody, potápěč se nemůže nadechnout v hloubce větší než 1 m!

36 Jak hluboko mohli dýchat? Hladina? Jak by vypadala alveolokapilární membrána pro takovýto tlak? Jaká by byla její propustnost pro plyny? Jaký byl krevní tlak dinosaurů (zvětšující tlak přes alveolo kapilární membránu)? Jaký byl efekt mrtvého prostoru V D? >10 m Plíce Pro plíce více než 10 m pod hladinou vody by musel být podtlak větší než 1 atm, což není fyzikálně možné (větší podtlak než vakuum )

37 Nemožné... Zdeněk Burian, 1941

39 Umělá plicní ventilace je nefyziologická

40 Železné plíce

41 Umělá plicní ventilace je nefyziologická

43 Tvrdost zdroje průtoku Zdroje stejného průtoku Q 1 = Q 2 = Q S 1 v 1 = S 2 v 2 Rychlosti v závisejí na tlacích p p 1 v 1 p 2 v 2 S Q 1 Q 2 1 S 2

44 Model ventilátoru a pacienta Ventilátor Pacient R vent R AW p C L PCV R vent je malý, p je malý VCV R vent je velký, p je velký

45 Generovaný dechový objem V T v závislosti na odporu R AW VT [ml] Sensormedics 3100A 900T SLE 2000 Babylog 8000 Fyzikální model, C = 0,0037 l/kpa Poč. P = 40 cm H 2 O R AW [kpa/(l/s)] Nastavení ventilátoru se v průběhu experimentu neměnilo.

46 Generovaný dechový objem V T v závislosti na odporu R AW V T [ml] 10 5 Sensormedics 3100A 900T SLE 2000 Babylog 8000 Fyzikální model, R AW = 10 kpa/(l/s) Poč. P = 40 cm H 2 O 0 0 0,5 1 C [ml/cm H 2 O] Nastavení ventilátoru se v průběhu experimentu neměnilo.

48 Odpor Odpor rezistance, fyzikální veličina (Pa.s/L) reálná hodnota komplexní impedance R=Re[Z] rezistor, pneumatická součástka mající jako svou popisnou charakteristiku rezistanci R Rezistance X Rezistence Výhoda zavedení odporu: tlakově-průtokový popis bez nutnosti znát vnitřní strukturu soustavy (vztah mezi p a q) = nevýhoda zavedení odporu...

49 Definice odporu (rezistance) R p q Zdroj konstantního průtoku plynu q Měřený systém p

50 Odpor elektrické a průtočné systémy Definice rezistance R: U = R. I P = R. Q, ale R závisí na Q R R I Q Rezistance ohnuté struktury: R = R 0 R = R 0 Rezistance sériového spojení struktur: R = R 1 + R 2 R = R 1 + R 2 velmi často

51 Odpor DC měřený Veolarem Model plic: ETC 7.5 and IngMar Medical Test Lung Matejka R, Roubik K: Modelling Of The Respiratory System Using The Non-Linear Model During Mechanical Controlled Ventilation. ANALYSIS OF BIOMEDICAL SIGNALS AND IMAGES, Biosignal-Brno, pp , ISSN: X ISBN:

52 Odpor Uvádět hodnotu odporu jako charakteristiku systému je nutné společně s údajem, při jakém průtoku byl odpor měřen. Obecně platí: R = R(q) Než jednu hodnotu s průtokem je lepší znázornit velikost odporu R na průtoku q. To vlastně nahrazuje graf závislosti úbytku tlaku p na velikosti průtoku q. Vhodný popis mocninnou funkcí: p = a.q b

53 Odpor komponent p = a.q b ETC 9 endotracheální kanyla Curity 9 (Kendall, Mansfield, USA) o vnitřním průměru 9 mm; Rp 5 parabolický rezistor Rp 5 (Michigan Instruments, Grand Rapids, USA); Kapiláry lineární odpor vytvořený jako soubor 27 skleněných kapilár dlouhých 100 mm o vnitřním průměru 1 mm

54 Lineární odpor

55 Parabolický rezistor

58 Odpor komponent ETC 9 endotracheální kanyla Curity 9 (Kendall, Mansfield, USA) o vnitřním průměru 9 mm; Rp 5 parabolický rezistor Rp 5 (Michigan Instruments, Grand Rapids, USA); Kapiláry lineární odpor vytvořený jako soubor 27 skleněných kapilár dlouhých 100 mm o vnitřním průměru 1 mm

59 Odpor komponent p = a.q 1,3 pro respirační systém ETC 9 endotracheální kanyla Curity 9 (Kendall, Mansfield, USA) o vnitřním průměru 9 mm; Rp 5 parabolický rezistor Rp 5 (Michigan Instruments, Grand Rapids, USA); Kapiláry lineární odpor vytvořený jako soubor 27 skleněných kapilár dlouhých 100 mm o vnitřním průměru 1 mm

60 Bakteriální filtry resistance R (Pa.s/l) 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 Filter Servo Duo, Maquet - oxygen Filter Clear Guard 3, Intersurgical - oxygen Filter Hygrovent S/HME, Medisize - oxygen Filter Servo Duo, Maquet - heliox Filter Clear Guard 3, Intersurgical - heliox Filter Hygrovent S/HME, Medisize - heliox 0,00 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 flow Q (l/min) Roubík K, Zazula R, Strnadová A, Zábrodský V, Spálený A, Müller M, Chlumský J, Tyll T.: Spontaneous breathing of heliox using a semi-closed circuit: A bench study. Int J Artif Organs doi: /ijao

61 Hadice resistance R (Pa.s/l) 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 flow Q (l/min) Hose Tyvek Roll, 120 cm, straight - oxygen Hose Intersurgical 140 cm, straight - oxygen Hose Intersurgical 140 cm, bended -oxygen Hose Avea (coax.), Viasys, straight - oxygen Hose Tyvek Roll, 120 cm, straight - heliox Hose Intersurgical 140 cm, straight - heliox Hose Intersurgical 140 cm, bended - heliox Hose Avea (coax.), Viasys, straight - heliox Roubík K, Zazula R, Strnadová A, Zábrodský V, Spálený A, Müller M, Chlumský J, Tyll T.: Spontaneous breathing of heliox using a semi-closed circuit: A bench study. Int J Artif Organs doi: /ijao

62 Průtokové senzory resistance R (Pa.s/l) 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 Flowsensor Datex - oxygen Flowsensor Veolar - oxygen Flowsensor Datex - heliox Flowsensor Veolar - heliox 50,00 0,00 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 flow Q (l/min) Roubík K, Zazula R, Strnadová A, Zábrodský V, Spálený A, Müller M, Chlumský J, Tyll T.: Spontaneous breathing of heliox using a semi-closed circuit: A bench study. Int J Artif Organs doi: /ijao

63 Model RS

64 Model RS

65 Na čem odpor závisí? Vlastnosti tekutiny (hustota, viskozita, stlačitelnost) Vlastnosti soustavy (rozměry, tvar, povrch) Vlastnosti proudění

66 Helium a heliox Heliox 21 (79% He + 21% O2), Heliox 30 (70% He + 30% O2) Plyn Hustota (g/l) Viskozita (Pa.s) O He % N 2, 20 % O 2 (VZDUCH) % He, 20 % O 2 (HELIOX) % He, 30 % O % He, 40 % O