Прототип аппарата ИВЛ на базе микроконтроллера ATmega328P

Полный текст

УДК 004.9

 

ПРОТОТИП АППАРАТА ИВЛ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ATMEGA328P

 

Первые упоминания об искусственной вентиляции легких (ИВЛ) появились около 5 тысяч лет назад. Изначально процесс ИВЛ применялся для детей, которые родились с асфиксией и иногда он применялся в случае, если человек терял возможность самостоятельно дышать. В наши дни аппараты ИВЛ широко востребованы при анестезии, особенно при длительных хирургических вмешательствах. Также аппараты ИВЛ применяют при острой дыхательной недостаточности для сохранения жизни человека.

На сегодняшний день потребность в аппаратах ИВЛ отечественного производства резко возросла на фоне ухода многих зарубежных производителей медицинской техники.

Поэтому для устранения этой проблемы необходимо создать решение для создания аппаратов ИВЛ. Благодаря изучению элементов аппарата ИВЛ у инженеров-конструкторов появится возможность создать современный качественный аппарат ИВЛ российского производства.

Цель проекта: Создание прототипа аппарата ИВЛ для изучения его параметров 

 

Реализация проекта

В качестве первой задачи была поставлена разработка принципа работы стенда.  Сам принцип работы повторяет работу настоящего аппарата ИВЛ. После подачи питания на стенд и активации датчиков, с помощью потенциометров вручную настраиваются значение массы человека и значение индекса, о котором будет рассказано ниже. Далее двигатель, под управлением драйвера и контроллера, начинает сжимать и разжимать мешок АМБУ, тем самым подавая кислород в легкие потенциального пациента.

Главным фактором аппарата ИВЛ, без которого он не смог бы исправно функционировать, является программа, с помощью которой все комплектующие работают в одном цикле, но без прописанного алгоритма работы стенда, создание программы оказывается невозможным. У стенда существует 2 изменяемых параметра, а именно: масса пациента и индекс. Эти параметры необходимы для нахождения минутного объема дыхания (МОД) каждого человека. Значение МОД можно найти по формуле Дарбиняна (формула 2) [2]. Для расчета потребной частоты дыхания воспользуемся формулой 1. При ИВЛ дыхательный объем в среднем у взрослых составляет 13 мл/кг, а для детей 7 мл/кг. Для нахождения дыхательного объема конкретного человека необходимо умножить массу этого человека на вышеописанное значение.                                                                   

                                                                                               

где ν – частота дыхания, ;

       МОД – минутный объем дыхания;

       ДО – дыхательный объем.

                                                                                                            

  ,

 где МОД – минутный объем дыхания, ;

       m – масса человека, кг;

       x – индекс, необходимый для нахождения более точного МОД

       x = 2, если человек старше 55 лет;

       x увеличивается на 1, если температура тела больше 38 °с.

 

МОД (взрослого) =  + 1 + 2 = 18 л = 18000

ν(взрослого) =  = 12

МОД (ребенка) =  + 1 = 1,294 л = 1294

ν(ребенка) =  = 44

Таким образом были рассчитаны параметры искусственной вентиляции легких (ИВЛ) человека массой в 150 кг и возрастом более 55 лет, а также ребенка массой 2,94 кг. В результате исследований значение частоты дыхания взрослого человека составило 12 вдохов в минуту. А значение частоты дыхания ребенка составило 44 вдохов в минуту. Чем больше масса человека и его возраст, тем меньше частота дыхания. Таким образом можно сделать вывод, что чем больше масса человека и его возраст, тем меньше его частота дыхания. Поэтому для выбора режима работы стенда понадобятся лишь масса пациента, его возраст и температура его тела. Минимальное значение массы человека будет установлено в 2 кг, а максимальное в 200 кг. Индекс x будет рассчитываться из значений температуры тела и возраста человека. Максимальное значение индекса равно 8.

После определения всех цифровых портов, в коде вводятся переменные, отвечающие за массу пациента и индекс ‘x’. Затем по вышеописанным формулам в значении от заданных индекса и массы, программа вычисляет частоту дыхания.

 

Печатная плата

Схема платы была выполнена автором в программе «SPRINT LAYOUT 6.0». К плате подведены: LCD дисплей, на котором будут показаны данные пациента, контроллер, два потенциометра, которые отвечают за изменение параметров стенда, два полевых транзистора, два резистора сопротивлением в 10 Ком, два резистора сопротивлением в 220 ом, распределитель CAMOZZI E521-11-10, а также питание. Из анализа рынка современных контроллеров лучшим вариантом является микроконтроллер ATmega328P, поскольку характеристики этой модели идеально подходят для управления стендом.

Рис. 1. Схема печатной платы

 

Общая схема стенда

К стенду подводится сжатый воздух, который необходим для работы пневматических элементов стенда. Баллон сжатого воздуха изображен под цифрой 6 на рисунке 2. Основными элементами в схеме стенда являются: регуляторы давления модели (РД1 и РД2) N1208-R00, пневматический распределитель (Р1) модели E521-11-10-K12, пневмодроссели (Д1 и Д2) модели PMCU 704-1/8-4 и пневматический цилиндр (Ц1) модели 31M2A025A100. Также в стенде установлены два манометра с верхним диапазоном измерения в 1 бар (РД1 и РД2) модели M043-F06 (3 элемент на рис.2).

После подачи питания на стенд, запуска программы и выставления значений параметров, от контроллера к распределителю идет сигнал, который отвечает за работу пневматического распределителя. От сигнала изменяется направление потока сжатого воздуха, подводимого к распределителю (4 на рис.2). Воздух проходит через различные фитинги (2 на рис.2). Далее энергия воздуха переходит в перемещение выходного звена пневматического цилиндра, состоящего из штока, поршня и насадки на шток, сделанной на 3D принтере (5 на рис. 2). От направления потока воздуха изменяется направление выходного звена. Шток с насадкой давит на мешок АМБУ.

Рис. 2. 3D модель стенда (в программе FUSION 360)

 

Программа

За изменение потока сжатого воздуха отвечает сигнал, о котором уже писалось выше. Для взаимосвязи выставляемых параметров и работы пневматических элементов в работе было уделено отдельное внимание программе. Поскольку микроконтроллером в проекте служит ATmega328P, то программа была реализована на языке программирования WIRING. В начале программы вводятся две библиотеки: одна для работы с LCD экраном, а другая для работы с пневмораспределителем (Р1). Далее определяются типы пинов. Два из них отвечают за передачу сигнала на распределитель (OUTPUT), а другие два отвечают за считывание информации с потенциометров (INPUT). Также вводятся параметры LCD экрана, такие как: яркость экрана и площадь для вывода символов на экране. Одновременно с этими процессами вводится переменная ‘timing’, которая отвечает за хранение точки отсчета.

В ‘void loop’ вводятся 2 переменные, отвечающие за массу пациента и индекс х соответственно. Тут же этим переменным присваиваются максимальные и минимальные значения. Далее объявляются еще 3 переменные, отвечающие за МОД (MV), ДО (VT) и частоту дыхания (frequency). Об этих параметрах было описано ранее. Далее описываются условия, при которых изменяется направление потока сжатого воздуха. Затем прописываются команды, отвечающие за вывод информации на дисплей, а именно значения параметров в реальном времени. Более подробную схему, на которой все элементы обозначены вышеуказанными буквами, можно увидеть на рисунке 3.

 

Рис. 3.  Схема стенда

Результаты проекта

Таким образом созданный стенд аппарата ИВЛ способен повлиять на ускоренную модернизацию аппаратов ИВЛ отечественного производства. Стенд позволит создать аппараты ИВЛ нового поколения, превосходящие мировые аналоги благодаря более простой конструкции и относительно небольшой стоимости. Благодаря этим преимуществам большое количество медицинских заведений смогут приобретать аппараты ИВЛ. Проект имеет потенциал использования различными образовательными учреждениями в качестве учебного материала. В дальнейшем работа над проектом будет продолжена, будут исследоваться новые параметры, такие как влияние перепадов давления на работу аппаратов ИВЛ. По мере развития технологий, проект будет развиваться и усовершенствоваться.

Об авторах

Алексей Сергеевич Василенко

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Автор, ответственный за переписку.
Email: supervasilenko@yandex.ru
Россия, 443086, Россия, Самара, ул. Московское шоссе, 34.

Светлана Альбертовна Авдейко

Самарский университет

Email: asa210770@mail.ru

старший преподаватель кафедры иностранных языков и русского как иностранного Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

Список литературы

Дополнительные файлы