Вентилятор — это тип дыхательного аппарата , класс медицинской техники , который обеспечивает искусственную вентиляцию легких путем перемещения вдыхаемого воздуха в легкие и из них , чтобы обеспечить дыхание пациенту, который физически не может дышать или дышит недостаточно. Вентиляторы могут быть компьютеризированными микропроцессорными машинами , но пациентов также можно вентилировать с помощью простой, управляемой вручную маски с клапаном мешка . Вентиляторы в основном используются в интенсивной терапии , уходе на дому и неотложной медицине (как отдельные устройства) и в анестезиологии (как компонент наркозного аппарата ).
Вентиляторы иногда называют «респираторами», термин, который широко использовался для них в 1950-х годах (в частности, «респиратор Птицы» ). Однако современная медицинская терминология использует слово « респиратор » для обозначения лицевой маски, которая защищает пользователя от опасных веществ, находящихся в воздухе. [1]
В своей простейшей форме современный аппарат ИВЛ с положительным давлением состоит из сжимаемого воздушного резервуара или турбины, подачи воздуха и кислорода , набора клапанов и трубок, а также одноразового или многоразового «контура пациента». Воздушный резервуар пневматически сжимается несколько раз в минуту для подачи пациенту комнатного воздуха или, в большинстве случаев, смеси воздуха и кислорода. Если используется турбина, турбина проталкивает воздух через аппарат ИВЛ, а клапан потока регулирует давление в соответствии с параметрами, характерными для пациента. Когда избыточное давление сбрасывается, пациент пассивно выдыхает из-за эластичности легких , выдыхаемый воздух обычно выпускается через односторонний клапан в контуре пациента, называемый коллектором пациента.
Вентиляторы также могут быть оснащены системами мониторинга и сигнализации для параметров, связанных с пациентом (например, давление, объем и поток) и функцией вентилятора (например, утечка воздуха, сбой питания, механическая неисправность), резервными батареями, кислородными баллонами и дистанционным управлением. Пневматическая система в настоящее время часто заменяется управляемым компьютером турбонасосом .
Современные аппараты ИВЛ управляются электроникой с помощью небольшой встроенной системы , что позволяет точно адаптировать характеристики давления и потока к индивидуальным потребностям пациента. Тонко настроенные настройки аппарата ИВЛ также служат для того, чтобы сделать вентиляцию более переносимой и комфортной для пациента. В Канаде и США респираторные терапевты отвечают за настройку этих настроек, в то время как биомедицинские технологи отвечают за техническое обслуживание. В Соединенном Королевстве и Европе управление взаимодействием пациента с аппаратом ИВЛ осуществляется медсестрами интенсивной терапии .
Контур пациента обычно состоит из набора из трех прочных, но легких пластиковых трубок, разделенных по функциям (например, вдыхаемый воздух, давление пациента, выдыхаемый воздух). В зависимости от типа необходимой вентиляции пациентский конец контура может быть как неинвазивным, так и инвазивным.
Неинвазивные методы, такие как постоянное положительное давление в дыхательных путях (CPAP) и неинвазивная вентиляция , которые подходят для пациентов, которым требуется вентилятор только во время сна и отдыха, в основном используют носовую маску. Инвазивные методы требуют интубации , которая для долгосрочной зависимости от вентилятора обычно будет трахеотомической канюлей, так как это гораздо удобнее и практичнее для долгосрочного ухода, чем интубация гортани или носа.
Поскольку отказ может привести к смерти, системы искусственной вентиляции легких классифицируются как жизненно важные системы , и необходимо принять меры предосторожности, чтобы гарантировать их высокую надежность, включая их электропитание . Отказ вентиляции легких — это неспособность поддерживать достаточную скорость удаления CO2 для поддержания стабильного pH без механической помощи, мышечной усталости или невыносимой одышки. [2] Поэтому аппараты искусственной вентиляции легких тщательно проектируются таким образом, чтобы ни одна точка отказа не могла поставить под угрозу пациента. Они могут иметь ручные резервные механизмы для обеспечения ручного дыхания при отсутствии питания (например, аппарат искусственной вентиляции легких, встроенный в анестезиологический аппарат ). Они также могут иметь предохранительные клапаны, которые открываются в атмосферу при отсутствии питания, чтобы действовать как противоудушающий клапан для спонтанного дыхания пациента. Некоторые системы также оснащены баллонами со сжатым газом, воздушными компрессорами или резервными батареями для обеспечения вентиляции в случае отключения питания или неисправных газоснабжений, а также методами работы или вызова помощи в случае отказа их механизмов или программного обеспечения. [3] Сбои в подаче электроэнергии , например, во время стихийных бедствий, могут создать опасную для жизни чрезвычайную ситуацию для людей, использующих аппараты искусственной вентиляции легких в условиях домашнего ухода. [4] Заряда батареи может быть достаточно для кратковременной потери электроэнергии, но более длительные отключения электроэнергии могут потребовать обращения в больницу. [4]
История искусственной вентиляции легких начинается с различных версий того, что в конечном итоге было названо железным легким , формой неинвазивного аппарата искусственной вентиляции легких с отрицательным давлением, широко использовавшегося во время эпидемий полиомиелита двадцатого века после появления «респиратора Дринкера» в 1928 году, усовершенствований, представленных Джоном Хейвеном Эмерсоном в 1931 году [5] и респиратора Оба в 1937 году. Другие формы неинвазивных аппаратов искусственной вентиляции легких, также широко используемые для пациентов с полиомиелитом, включают двухфазную кирасную вентиляцию , качающуюся кровать и довольно примитивные аппараты с положительным давлением. [5]
В 1949 году Джон Хейвен Эмерсон разработал механическое вспомогательное средство для анестезии в сотрудничестве с отделением анестезии Гарвардского университета . Механические вентиляторы начали все чаще использоваться в анестезии и интенсивной терапии в 1950-х годах. Их разработка была стимулирована как необходимостью лечения пациентов с полиомиелитом, так и растущим использованием миорелаксантов во время анестезии. Релаксанты парализуют пациента и улучшают условия работы хирурга, но также парализуют дыхательные мышцы. В 1953 году Бьёрн Оге Ибсен создал то, что стало первым в мире лечебным/хирургическим отделением интенсивной терапии, использующим миорелаксанты и контролируемую вентиляцию легких. [6]
В Соединенном Королевстве ранними примерами были модели East Radcliffe и Beaver. Первая использовала велосипедную втулку Sturmey-Archer для обеспечения диапазона скоростей, а вторая — автомобильный двигатель стеклоочистителя для привода мехов, используемых для надувания легких. [7] Однако электродвигатели были проблемой в операционных того времени, поскольку их использование вызывало опасность взрыва в присутствии легковоспламеняющихся анестетиков, таких как эфир и циклопропан . В 1952 году Роджер Мэнли из Вестминстерской больницы в Лондоне разработал вентилятор, который был полностью газовым и стал самой популярной моделью, используемой в Европе. Это был элегантный дизайн, и он стал большим фаворитом среди европейских анестезиологов в течение четырех десятилетий, до появления моделей, управляемых электроникой. Он не зависел от электроэнергии и не создавал опасности взрыва. Оригинальный блок Mark I был разработан, чтобы стать Manley Mark II, в сотрудничестве с компанией Blease, которая произвела много тысяч этих блоков. Принцип его работы был очень прост: входящий поток газа использовался для подъема утяжеленного блока мехов, который периодически падал под действием силы тяжести, заставляя дыхательные газы поступать в легкие пациента. Давление накачки можно было изменять, перемещая подвижный груз поверх мехов. Объем подаваемого газа регулировался с помощью изогнутого ползунка, который ограничивал движение мехов. Остаточное давление после завершения выдоха также можно было настраивать с помощью небольшого утяжеленного рычага, видимого в правом нижнем углу передней панели. Это был надежный блок, и его доступность способствовала внедрению методов вентиляции с положительным давлением в основную европейскую анестезиологическую практику.
Выпуск в 1955 году в США «Bird Universal Medical Respirator» Форреста Берда изменил способ проведения искусственной вентиляции легких, и маленькая зеленая коробка стала привычным медицинским оборудованием. [8] Устройство продавалось как Bird Mark 7 Respirator и неофициально называлось «Bird». Это было пневматическое устройство, поэтому для его работы не требовался источник электроэнергии .
В 1965 году в сотрудничестве с Harry Diamond Laboratories (ныне часть US Army Research Laboratory ) и Walter Reed Army Institute of Research был разработан армейский респиратор для экстренных случаев . Его конструкция включала принцип усиления жидкости для управления пневматическими функциями. Усиление жидкости позволило изготавливать респиратор полностью без движущихся частей, но при этом способный выполнять сложные реанимационные функции. [9] Устранение движущихся частей повысило надежность работы и свело к минимуму техническое обслуживание. [10] Маска состоит из блока полиметилметакрилата (коммерчески известного как Lucite ), размером с колоду карт, с обработанными каналами и зацементированной или привинченной крышкой. [11] Уменьшение количества движущихся частей сократило производственные затраты и увеличило долговечность. [10]
Конструкция бистабильного жидкостного усилителя позволяла респиратору функционировать как респираторный помощник и контроллер. Он мог функционально автоматически переходить между помощником и контроллером в зависимости от потребностей пациента. [11] [10] Динамическое давление и турбулентный струйный поток газа от вдоха до выдоха позволяли респиратору синхронизироваться с дыханием пациента. [12]
В 1971 году отделения интенсивной терапии по всему миру произвели революцию с появлением первого аппарата ИВЛ SERVO 900 (Elema-Schönander), сконструированного Бьёрном Йонсоном . Это был небольшой, бесшумный и эффективный электронный аппарат ИВЛ со знаменитой системой обратной связи SERVO, контролирующей установленные параметры и регулирующей подачу. Впервые аппарат мог подавать заданный объем в режиме вентиляции с контролем объема.
Микропроцессорное управление привело к третьему поколению вентиляторов для отделений интенсивной терапии (ОИТ), начиная с Dräger EV-A [13] в 1982 году в Германии, который позволял контролировать кривую дыхания пациента на ЖК-мониторе . Год спустя последовали Puritan Bennett 7200 и Bear 1000, SERVO 300 и Hamilton Veolar в течение следующего десятилетия. Микропроцессоры позволяют настраивать подачу газа и мониторинг, а также механизмы подачи газа, которые гораздо более чувствительны к потребностям пациента, чем предыдущие поколения механических вентиляторов. [14]
Аппарат ИВЛ с открытым исходным кодом — это аппарат ИВЛ для чрезвычайных ситуаций, созданный с использованием свободно лицензированной конструкции и, в идеале, свободно доступных компонентов и деталей. Конструкции, компоненты и детали могут быть любыми — от полностью реверсивного проектирования до совершенно новых творений, компоненты могут быть адаптациями различных недорогих существующих продуктов, а специальные труднодоступные и/или дорогие детали могут быть напечатаны на 3D-принтере вместо того, чтобы быть закупленными. [15] [16]
Во время пандемии COVID-19 2019–2020 годов рассматривались различные виды аппаратов искусственной вентиляции легких. Смерть от COVID-19 наступала, когда у наиболее тяжело инфицированных пациентов развивался острый респираторный дистресс-синдром — распространенное воспаление в легких, нарушающее способность легких поглощать кислород и выводить углекислый газ. Для продолжения дыхания таким пациентам требовался эффективный аппарат искусственной вентиляции легких.
Среди аппаратов ИВЛ, которые могут быть использованы для лечения людей с COVID-19, было много опасений. К ним относятся текущая доступность, [17] [18] проблема производства большего количества и более дешевых аппаратов ИВЛ, эффективность, [19] функциональный дизайн , безопасность, [20] [21] портативность, [22] пригодность для младенцев, [23] назначение для лечения других заболеваний и обучение операторов. [24] Развертывание наилучшего возможного сочетания аппаратов ИВЛ может спасти больше всего жизней.
Хотя аппарат ИВЛ Ventec V+ Pro официально не является открытым, он был разработан в апреле 2020 года в результате совместных усилий Ventec Life Systems и General Motors с целью быстрой поставки 30 000 аппаратов ИВЛ, способных лечить пациентов с COVID-19. [25] [26]
Крупные мировые проектные работы начались во время пандемии коронавируса 2019–2020 гг . после запуска проекта Hackaday [27] [ необходим неосновной источник ] с целью реагирования на ожидаемую нехватку аппаратов искусственной вентиляции легких , приводящую к более высокому уровню смертности среди тяжелых пациентов.
20 марта 2020 года Ирландская служба здравоохранения [28] начала рассмотрение проектов. [29] Прототип разрабатывается и тестируется в Колумбии . [30]
Польская компания Urbicum сообщает об успешном испытании [31] прототипа устройства с открытым исходным кодом, напечатанного на 3D-принтере, под названием VentilAid. Производители описывают его как устройство последнего средства, когда отсутствует профессиональное оборудование. Проект доступен для общественности. [32] Для работы первого прототипа Ventilaid требуется сжатый воздух.
21 марта 2020 года Институт сложных систем Новой Англии (NECSI) начал вести стратегический список проектов с открытым исходным кодом, над которыми ведется работа. [33] [34] Проект NECSI учитывает производственные возможности, медицинскую безопасность и необходимость лечения пациентов в различных состояниях, скорость решения юридических и политических вопросов, логистику и поставки. [35] В NECSI работают ученые из Гарварда и Массачусетского технологического института, а также другие специалисты, имеющие представление о пандемиях, медицине, системах, рисках и сборе данных. [35]
Центр медицинских приборов Баккен при Университете Миннесоты начал сотрудничество с различными компаниями, чтобы вывести на рынок альтернативу аппарату ИВЛ, который работает как однорукий робот и заменяет необходимость ручной вентиляции легких в экстренных ситуациях. Устройство Coventor было разработано в очень короткие сроки и одобрено FDA 15 апреля 2020 года , всего через 30 дней после зачатия. Аппарат ИВЛ предназначен для использования обученными медицинскими специалистами в отделениях интенсивной терапии и прост в эксплуатации. Он имеет компактную конструкцию и относительно недорог в производстве и распространении. Его стоимость составляет всего около 4% от стоимости обычного аппарата ИВЛ. Кроме того, это устройство не требует подачи сжатого кислорода или воздуха, как это обычно бывает. Первую серию производит Boston Scientific . Планы должны быть доступны в свободном доступе в Интернете для широкой публики без лицензионных отчислений. [36] [37]
Пандемия COVID-19 привела к нехватке основных товаров и услуг — от дезинфицирующих средств для рук до масок, кроватей и аппаратов искусственной вентиляции легких. [ требуется ссылка ] Страны по всему миру столкнулись с нехваткой аппаратов искусственной вентиляции легких. [38] Кроме того, пятьдесят четыре правительства, в том числе многие в Европе и Азии, ввели ограничения на экспорт медицинских товаров в ответ на пандемию коронавируса. [39]
Возможности производства и распространения инвазивных и неинвазивных аппаратов ИВЛ различаются в зависимости от страны. На начальном этапе пандемии Китай нарастил производство аппаратов ИВЛ, получил большие объемы пожертвований от частных фирм и резко увеличил импорт медицинских приборов по всему миру. В результате страна накопила запас аппаратов ИВЛ на протяжении всей пандемии в Ухане. Западная Европа и Соединенные Штаты, которые превосходят Китай по своим производственным мощностям, страдали от нехватки поставок из-за внезапных и разрозненных вспышек на североамериканском и европейском континентах. Наконец, Центральная Азия , Африка и Латинская Америка , которые почти полностью зависят от импорта аппаратов ИВЛ, страдали от острой нехватки поставок. [ необходима цитата ]
Разработчики политики здравоохранения столкнулись с серьезными проблемами при оценке количества необходимых и используемых во время пандемии вентиляторов. Когда данные часто недоступны конкретно для вентиляторов, оценки иногда делаются на основе количества доступных коек в отделениях интенсивной терапии , которые часто содержат вентиляторы. [40]
В 2006 году президент Джордж Буш-младший подписал Закон о готовности к пандемиям и всем опасностям , который создал Управление передовых биомедицинских исследований и разработок (BARDA) в Министерстве здравоохранения и социальных служб США . Готовясь к возможной эпидемии респираторных заболеваний, недавно созданное управление заключило контракт на 6 миллионов долларов с Newport Medical Instruments , небольшой компанией из Калифорнии, на производство 40 000 аппаратов ИВЛ по цене менее 3000 долларов за штуку. В 2011 году Newport отправила три прототипа в Центры по контролю и профилактике заболеваний . В 2012 году Covidien , производитель медицинских устройств с оборотом 12 миллиардов долларов в год, который производил более дорогие конкурирующие аппараты ИВЛ, купил Newport за 100 миллионов долларов. Covidien отложила и в 2014 году расторгла контракт.
BARDA начала работу заново с новой компанией Philips , и в июле 2019 года FDA одобрило аппарат ИВЛ Philips, а правительство заказало 10 000 аппаратов ИВЛ для поставки в середине 2020 года. [41]
23 апреля 2020 года НАСА сообщило о создании за 37 дней успешного аппарата ИВЛ для лечения COVID-19 под названием VITAL («Технология вмешательства в работу аппарата ИВЛ, доступная на местном уровне»). 30 апреля НАСА сообщило о получении ускоренного одобрения на экстренное использование нового аппарата ИВЛ Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США . [42] [43] [44] 29 мая НАСА сообщило, что для производства нового аппарата ИВЛ были выбраны восемь производителей. [45]
7 апреля 2020 года премьер-министр Джастин Трюдо объявил, что федеральное правительство Канады будет поставлять тысячи аппаратов ИВЛ «Сделано в Канаде». Ряд организаций отреагировали со всей страны. [46] Они доставили большое количество аппаратов ИВЛ в Национальный чрезвычайный стратегический запас. С запада на восток в число компаний входят Canadian Emergency Ventilators Inc, Bayliss Medical Inc, Thornhill Medical, Vexos Inc и CAE Inc.
Медиа, связанные с вентиляторами на Wikimedia Commons
Словарное определение термина вентилятор в Викисловаре
