Автоматизация неинвазивной искусственной вентиляции для новорожденных на основе обработки сигналов давления и концентрации кислорода в газовоздушной смеси

Abstract

Работа посвящена разработке системы управления дыхательным контуром аппарата искусственной вентиляции легких (ИВЛ) для поддержки маневра рекрутмента легких недоношенных новорожденных детей. Так как в современных аппаратах ИВЛ их настройка для проведения маневра рекрутмента легких недоношенных новорожденных детей осуществляется вручную путем подстройки механического клапана, создание системы управления дыхательным контуром позволит существенного сократить время настройки и уменьшить количество ошибок, возникающих при ее проведении. В работе предложена архитектура системы управления дыхательным контуром аппарата ИВЛ, состоящая из двух контуров регулирования: один для регулирования давления дыхательной смеси, второй для регулирования концентрации кислорода в дыхательной смеси. Упрощенная модель системы управления дыхательным контуром, разработанная в среде динамического моделирования динамических систем MATLAB Simulink, позволила оценить работоспособность данной архитектуры. Для поиска коэффициентов регуляторов системы управления использовались методы CHR и ручная настройка на основе знаний о работе системы. Для оценки устойчивости модели системы был использован критерий Найквиста. Применение критерия Найквиста позволило сделать вывод о устойчивости системы управления дыхательным контуром. Для оценки работоспособности системы управления дыхательным контуром был разработан макет схемы управления и произведено его тестирование. На основе тестирования был сделан вывод об адекватности разработанной модели и работоспособности предложенного технического решения.

The article is devoted to the development of a control system for the respiratory circuit of an artificial lung ventilation (ALV) device to support the alveolar mobilization maneuver of premature newborns. Since in modern ALVs their adjustment for the maneuver of recruitment of lungs of premature newborns is carried out manually by adjusting the mechanical valve, the creation of a respiratory circuit control system will significantly reduce the time of adjustment and reduce the number of errors that occur during its implementation. The paper proposes the architecture of the respiratory circuit control system of the ALV, which consists of two control loops: one for regulating the pressure of the respiratory mixture, the second for regulating the oxygen concentration in the respiratory mixture. A simplified model of the breathing circuit control system, developed in the MATLAB Simulink dynamic simulation environment, makes it possible to evaluate the performance of this architecture. CHR method and manual tuning method based on knowledge of the system operation are used to search for the coefficients of the controllers of the control system. The Nyquist criterion is used to assess the stability of the system model. The application of the Nyquist criterion makes it possible to conclude that the breathing circuit control system is stable. A testing device of the control circuit has been developed and tested to assess the performance of the respiratory circuit control system. The conclusion has been made about the adequacy of the developed model and the operability of the proposed technical solution on the basis of testing.