Апарат штучної вентиляції легенів Savina

Зміст

Вступ

1. Інженерний аналіз апарату ШВЛ Savina

1.1 Принцип дії апарату ШВЛ Savina

1.2 Аналіз статистичних даних щодо проявів можливих відмов апарату ШВЛ Savina

2. Функціональна схема апарату ШВЛ Savina

3. Структурна схема апарату ШВЛ Savina

3.1 Блок живлення (Power pack)

3.2 Плата управління (Control PCB)

3.3 Плата комунікації двигунів (Motor Commutation PCB)

3.4 Плата клапанів О2 (O2Valve PCB)

3.5 Плата мембрани О2 (O2Diaphragm PCB)

3.6 Кулер (Fan)

3.7 Панель оператора (Operator control panel)

4. Визначення рівня контролепридатності апарату ШВЛ Savina

5. Визначення рівня ремонтопридатності апарату ШВЛ Savina

6. Функціонально-логічна модель апарату ШВЛ Savina

7. Оптимальна програма діагностування апарату ШВЛ Savina

Висновок

Список використаних джерел

Вступ Штучна вентиляція легенів (ШВЛ) дуже часто є основним компонентом анестезіологічного забезпечення хірургічних втручань, інтенсивної терапії та реанімації. Ефективність її у багатьох випадках визначається своєчасністю застосування, ретельністю дотримання методики проведення вентиляції легенів і переведення хворих на самостійне дихання, рівнем організації контролю за станом газообміну в легенях.

У реалізації цих принципів важливу роль відіграє якість апаратів штучної вентиляції легенів, відповідність їх сучасним вимогам. В останні роки розроблено і впроваджується в практику багато нових апаратів ШВЛ з широкими функціональними можливостями. Виходячи з цього все більш гостріше постає проблема оцінки технічного стану, технічного обслуговування та ремонту даного типу апаратури.

Виходячи з вищенаписаного, в даній роботі розглядається апарат штучної вентиляції легенів Savina, як типовий представник даного типу медичної техніки.

апарат відмова живлення

1. Інженерний аналіз апарату ШВЛ Savina

Апарат ШВЛ Savina (Рисунок 1.1) — складний електронно-пневматичний пристрій, задачею якого є підтримання адекватного газообміну у легенях пацієнта; призначений для тривалої або повторно-короткочасної ШВЛ дорослих і дітей доросліше 6 років (з нормальним дихальним об'ємом від 50 мл) у відділеннях інтенсивної терапії та реанімації, післяопераційних відділеннях та палатах.

Рисунок 1.1 — Зовнішній вигляд апарата ШВЛ SAVINA

Апарат ШВЛ Savina здійснює штучну вентиляцію внутрішнім способом, шляхом вдування підготовленого повітря або суміші газів у легені пацієнта безпосередньо через рот та ніс за допомогою дихальної трубки чи маски, або через трахіостому, тобто як неінвазивним, так й інвазивним методом. Контроль вентиляції здійснюється за тиском, об'ємом та часом.

Основні технічні характеристики апарату ШВЛ Savina наведені у таблицях 1.1, 1.2.

Таблиця 1.1 — Основні технічні характеристики

Таблиця 1.2 — Умови навколишнього середовища

1.1 Принцип дії апарату ШВЛ Savina

Принцип дії апарату ШВЛ Savina можна описати за допомогою схеми, що зображена на рисунку 1.2:

Рисунок 1.2 — Схема роботи апарату ШВЛ Savina

Блоком подачі газової суміші повітря забирається з навколишньої атмосфери. У спеціальній камері повітря фільтрується та змішується з киснем, який подається або з кисневого концентратору, або з внутрішньої мережі лікувального закладу через Блок контролю потоку. Суміш подається до турбіни, яка підтримує заданий тиск. Далі регулюється температура суміші.

Через фільтр, датчик потоку вдиху та незворотній клапан підготовлена газова суміш подається у Інспіративний блок. Цей блок складається з декількох електропневматичних аварійних та запобіжних клапанів, що спрацьовують при надлишковому позитивному (100−120 mbar) або від'ємному (-6- -3 mbar) тиску у дихальному контурі

З Інспіративного блоку газова суміш через систему трубок подається безпосередньо пацієнту. Система трубок включає у себе зволожувач та ємності для збору конденсату.

Відпрацьована газова суміш, що видихається пацієнтом, подається у систему пацієнта, яка містить клапан, що регулює тиск видиху, незворотній клапан та датчик потоку видиху. З системи пацієнта відпрацьована суміш виходить в оточуюче середовище.

Блок контролю потоку здійснює управління потоком кисню, що подається з балону або з внутрішньої мережі лікувального закладу, за допомогою системи пневморезисторів. Також даний блок здійснює управління потоком розпилювача медикаментів.

Контроль параметрів тиску дихальної суміші здійснюється за допомогою Блоку вимірювання тиску, та аналізується Системою управління. Також Система управління аналізую показники датчиків, що розміщені у інших блоках.

Система управління керує турбіною та клапанами апарату, відповідно до заданої програми.

Апарат ШВЛ Savina має розвинену систему внутрішнього контролю, яка дозволяє проводити перевірку пристрою за такими параметрами:

Таблиця 1.3 — Тести у режимі самотестування

1.2 Аналіз статистичних даних щодо проявів можливих відмов апарату ШВЛ Savina

Статистичні дані щодо відмов апарату ШВЛ Savina отримуються двома шляхами: в процесі технічних випробувань на етапі проектування апарату (містяться у технічній документації апарату), в процесі безпосередньої експлуатації (технічний персонал складає таблиці, в яких міститься опис відмов, їх причини та шляхи вирішення).

Сбір статистичних даних є вкрай важливим, оскільки наявність статистичних даних у достатній мірі дозволяє розраховувати параметри надійності, ремонтопридатності, контролепридатності задля ефективного менеджменту часу використання пристрою.

Статистичні дані суттєво зменшують час, що витрачається на технічне обслуговування та ремонт пристрою, завдяки тому, що виявляються блоки з найбільшою інтенсивністю відмов.

Якщо статистичні дані накопичені у достатній мірі можна скласти таблицю типових відмов та шляхів їх вирішення (Таблиця 1.4).

Таблиця 1.4 — Таблиця відмов апарату ШВЛ Savina

2. Функціональна схема апарату ШВЛ Savina

З огляду на те, що апарат ШВЛ Savina є складним електропневматичним приладом, дуже важливим є складання його функціональної схеми, яка значно полегшує процес пошуку несправностей та відмов. У даній роботі розглянута функціональна схема тільки електричних вузлів та блоків апарату ШВЛ Savina, оскільки більшість відмов виникає саме у електричній частині приладу.

По причині того, що виробник пропонує проводити ремонт тільки на рівні блоків та модулів, функціональна схема будується за кількістю окремих друкованих плат.

Отже, виходячи з вищенаведених фактів функціональна схема має вигляд:

Рисунок 2.1 — Функціональна схема апарату ШВЛ Savina

На Блок живлення поступає зовнішня напруга (від зовнішнього акумулятора, побутової чи бортової мережі, в залежності від місця застосування), та напруга від внутрішнього акумулятора. У свою чергу, Блок живлення перетворює вхідні напруги на ряд опорних вихідних напруг, які живлять Блок управління та Блок двигунів.

Блок двигунів виконує функцію комутації двигунів турбіни, за допомогою якої відбувається нагнітання робочого тиску вентиляції. Функціонально зв’язаний з Блоком управління зворотнім зв’язком, за допомогою якого проходить калібрування швидкості обертання двигунів турбіни.

За допомогою Блоку клапанів відбувається функціональне керування режимами вентиляції, розподіленням повітря та кисню, що поступають з різних джерел. Також виконує регуляцію тиску у пневматичному тракті апарату ШВЛ.

Мембранний блок виконує функції вимірювання температури дихальної суміші, а також вимірювання рівню вмісту у ній кисню.

Панель оператора функціонує у якості інтерфейсу «Пристрій-Людина», через який здійснюється керування режимами та функціями апарату ШВЛ.

Блок управління виконує функцію керування всіма блоками за допомогою вбудованих мікропроцесорних засобів. Даний блок містить вбудовану пам’ять, у якій міститься алгоритм виконання процесу вентиляції, та установки системи. Також розподіляє робочі напруги по логічним схемам суміжних блоків. Блок управління проводить збір інформації з суміжних блоків, та на цій основі задає кожному блоку певний план дій.

3. Структурна схема апарату ШВЛ Savina

Апарат ШВЛ Savina (Рисунок 3.1) складається з електронної частини, панелі оператора та пневматичної системи, що містять такі основні складові:

Таблиця 3 — Основні части апарату ШВЛ Savina

3.1 Блок живлення (Power pack)

Блок живлення забезпечує апарат різними напругами:

— +5 V;

— -15 V;

— +15 V;

— +24 V;

— +48 V.

Діапазон вхідної напруги блоку живлення становить 100ч240 В змінного струму (від 50 до 60 Гц). Також блок живлення може працювати від зовнішнього акумулятора (12 В або 24 В) або від бортової мережі (10ч36 В).

Живлення від змінного струму здійснюється від мережевого шнура; живлення від зовнішнього акумулятора або бортової мережі здійснюється за допомогою кодованого роз'єму.

Апарат містить два вбудованих акумулятора (2×12 В), що забезпечують безперебійну роботу в разі повної відмови зовнішнього джерела живлення. Внутрішні акумулятори живлять датчики О2, навіть якщо апарат вимкнений. Як результат, діючі значення О2 доступні відразу при включенні живлення.

Рисунок 3.1 — Структурна схема апарату ШВЛ SAVINA

3.2 Плата управління (Control PCB)

Плата управління включає в себе два окремих процесора: основний і процесор передньої панелі. Програмне забезпечення записано на флеш-пам'яті, яку можна перезапрограмувати за допомогою ПК, підключеного за допомогою послідовного порту.

ПЗП передбачений для кожного процесора. У ПЗП основного процесора зберігаються калібрувальні дані датчиків. ПЗП процесора передньої панелі містить збережені параметри контрасту, гучності звуку і т.д.

Плата оснащена годинником реального часу, використовуваними для відображення часу і зберігання програмних опцій, блоком ідентифікації та робочих годин.

Плата управління виконує функції:

— обробки сигналів від датчиків;

— контроль компресора і клапанів;

— контроль функцій блоку і напруг живлення;

— включення дисплеїв;

— інтерпретації сигналів від мембранної клавіатури;

— постачання внутрішніх і зовнішніх інтерфейсів.

3.3 Плата комунікації двигунів (Motor Commutation PCB)

Плата комунікації двигунів управляє турбіною компресора (blower). Розташована в автономному корпусі. Напруга живлення (+48 V від блоку живлення) захищена запобіжником (6.3AT). Діапазон вхідної напруги становить від 12 до 52,5 V. Швидкість обертання задається платою управління. Керуюча напруга для регулювання швидкості обертання становить від 0 до 4,75 V, що відповідає швидкості обертання від 0 до 12 500 обертів на хвилину. Діапазон швидкостей обертання від 300 до 12 500 оборотів в хвилину. Плата задає фактичний сигнал швидкості обертання платі управління. Сигнал фактичного значення становить 6 імпульсів на оберт. У разі розбіжності в швидкості обертання плата керування регулює швидкість залежно від відхилення.

3.4 Плата клапанів О2 (O2Valve PCB)

Плата містить датчики тиску, привід для калібрувального клапана O2 і розпилювача, виконавчий механізм для блоку клапанів.

Сигнали від датчиків тиску посилюються і передаються на плату управління. Напруга живлення (+5 V) для датчиків тиску генерується на самій платі.

Клапани у блоці клапанів, калібрувальний клапан O2 і клапан розпилювача можуть працювати окремо за допомогою електронного комутатора. Вони приводяться в дію платою управління.

3.5 Плата мембрани О2 (O2Diaphragm PCB)

Плата підсилює сигнали від датчиків О2 і вимірює температуру датчиків О2 і дихального газу в блоці вдиху. Температура датчиків О2 потрібна для компенсації чутливих до температури вимірювань рівня О2. Калібрувальні дані від датчиків О2 зберігаються на платі управління. Еталонна напруга на датчиках О2 формується з напруги акумуляторної батареї, і тому доступна, навіть коли пристрій вимкнений.

Робочі напруги плати — +5 V та +15 V.

3.6 Кулер (Fan)

Кулер забирає навколишнє повітря через охолоджувач компресора, таким чином, охолоджуючи його. Потік повітря також видаляє надлишок кисню з пристрою.

Напруга живлення — +24 V. Швидкість обертання вентилятора контролюється платою управління.

3.7 Панель оператора (Operator control panel)

Панель оператора — інтерфейс між оператором і пристроєм. Призначена для введення і відображення параметрів вентиляції. До складу панелі входять:

— Плата передньої панелі (Front Panel PCB)

Плата передньої панелі містить 7-сегментні індикатори, передустановки параметрів вентиляції, драйвери світлодіодів, драйвери для інтерпретації натискань кнопок і валу енкодера, а також генератор напруги для підсвічування дисплея. Генерування напруги для підсвічування включається платою управління.

— Дисплей (Dysplay)

На дисплеї відображаються параметри пацієнта і важливі повідомлення. Роздільна здатність — 240×128 пікселів. Напруга живлення — +5 V та -15 V.

— Мембранна клавіатура (Membrane keypad)

Містить кнопки, що асоціюються зі світлодіодами для управління апаратом ШВЛ.

— Ручка управління (Control knob)

Використовується для установки і підтвердження змінюваних параметрів вентиляції. При повороті, ручка управління передає прямокутні імпульси на плату передній панелі, потім отриманий сигнал оцінюється платою управління. Напруга живлення — +5 V.

— Гучномовець (loudspeaker).

4. Визначення рівня контролепридатності апарату ШВЛ Savina

Визначення рівня контролепридатності апарату ШВЛ Savina регламентується державними стандартами України ДСТУ 2389−94 та ДСТУ 2508−94.

Пристосованість об'єкта до діагностування (контролепридатність) — властивість об'єкта, яка характеризує його придатність до діагностування. Характеризує придатність до контролю зовнішніми та вмонтованими засобами контролю, розробленими відповідно до вимог чинних нормативних документів.

Основна мета забезпечення контролепридатності - скорочення часу та витрат на підготовку до використання, технічне обслуговування та ремонт.

Контролепридатність характеризується такими основними показниками:

— повнота контролю — Кпк;

— коефіцієнт використання часу контролю — Квч;

— відносна вартість засобів контролю, необхідних для формування, перетворення та вимірювання спеціальних сигналів — Квв.

Значення цих показників повинні відповідати ДСТУ 2508−94.

З огляду на те, що в даній роботі визначається рівень контролепридатності апарату ШВЛ Savina, показники контролепридатності будуть відноситися саме до цього приладу.

Повнота контролю характеризує можливість виявлення відмов в апараті ШВЛ Savina, визначається ймовірністю справного стану неконтрольованої частини апарату:

де Рнк — ймовірність справного стану неконтрольованої частини апарату на час проведення контролю.

В умовах практично-неможливого доступу до нормативної документації виробника апарату ШВЛ Savina та обмеженій кількості необхідних даних, для розрахунку повноти контролю буде використовуватися формула:

де — інтенсивність потоку відмов контрольованої частини апарату ШВЛ Savina;

— інтенсивність потоку відмов приладу вцілому, визначається за формулою:

де n — кількість елементів, що відмовили протягом часу Дt;

N — загальна кількість елементів (згідно функціональній схемі приймається N=6).

Значення коефіцієнта використання часу контролю для апарата ШВЛ Savina визначається за формулою:

де Тк — час безпосереднього проведення контролю, для апарату у більшості випадків цей час залежить від швидкості виконання програми внутрішнього тестування;

Тпз — час, що витрачається на підготовчо-завершальні операції, зокрема час входу/виходу у сервісний режим та час, необхідний для вибору необхідної програми тестування.

Значення відносної вартості засобів контролю, потрібних для формування, перетворювання та вимірювання спеціальних сигналів, необхідних для діагностування апарату ШВЛ Savinа відповідає виразу:

де Ссп — вартість засобів контролю, потрібних для формування, перетворювання та вимірювання спеціальних сигналів;

С0 — загальна вартість засобів контролю.

5. Визначення рівня ремонтопридатності апарату ШВЛ Savina

За ДСТУ 2860−94

Ремонтопридатність (maintainability) — властивість об'єкта, що полягає в пристосованості до підтримання та відновлення стану, при якому він здатний виконувати необхідні функції, шляхом технічного обслуговування і ремонту.

Показники ремонтопридатності:

— ймовірність відновлення

— середній час відновлення

— гамма-відсоткова тривалість відновлення

— інтенсивність відновлення

— середня трудомісткість технічного обслуговування [ремонту]

Для визначення рівня ремонтопридатності апарату ШВЛ Savina необхідно використовувати вищенаведені показники ремонтопридатності.

Ймовірність відновлення апарату за час t вказує на ймовірність того, що час відновлення працездатного стану не перевищить задане значення; визначається як:

де Tв — середній час відновлення апарату ШВЛ Savina (математичне сподівання часу відновлення працездатного стану після відмови).

Статистичне визначення середнього часу відновлення знаходиться за формулою:

де Твi — тривалість i-го відновлення апарату ШВЛ;

n — число відмов в усіх блоках апарату.

Інтенсивність відновлення — умовна густина імовірності відновлення працездатності апарату ШВЛ, визначена для одного моменту часу, за умовою, що до цього моменту відновлення не завершилося; визначається як:

де fв (t) — густина розподілення часу відновлення блоків апарату;

Gв (t) — ймовірність того, що відновлення блоків пристрою не закінчиться за час t.

Гамма-відсотковий час відновлення tвг — інтервал часу, протягом якого відновлення працездатності блоків пристрою здійсниться зі імовірністю г, вираженою у відсотках; можна визначити з виразу:

Середня трудомісткість технічного обслуговування [ремонту] визначається математичним сподіванням трудомісткості ремонту, виражене в людино-годинах.

Оперативна тривалість ремонту, а отже й відновлення, складається з часу пошуку несправного блоку t0, середнього часу заміни tз та середнього часу перевірки справності tпер:

Час пошуку несправного блоку апарата ШВЛ Savina у більшому ступені залежить від кваліфікації технічного персоналу ніж від засобів перевірки, по тій причині, що даний апарат має розвинену систему самоконтролю.

З огляду на те, що при ремонті апарату ШВЛ Savina, рекомендується проводити заміну нероботоспроміжних блоків, середній час заміни суттєво залежить від розташування відмовившого блоку всередині апарату.

Час перевірки справності, так само, як час пошуку несправного блоку, у значній мірі від кваліфікації технічного персоналу.

6. Функціонально-логічна модель апарату ШВЛ Savina

Виходячи з того, що при діагностиці апарату ШВЛ Savina, перевіряються стани цілих блоків, буде доцільно створити таку функціонально-логічну модель, за якою кожен блок буде відображено одним або декількома елементами. За основу ФЛМ береться функціональна схема (Рисунок 2.1):

Рисунок 6.1 — Функціонально-логічна модель апарату ШВЛ Savina

b1, b5 — Блок живлення;

b2 b6, b9, b12 — Блок управління;

b2 — Блок двигунів;

b7 — Мембранний блок;

b10 — Панель оператора;

b13 — Блок клапанів;

Інші - шини зв’язку.

7. Оптимальна програма діагностування апарату ШВЛ Savina

На основі функціонально-діагностичної моделі апарату ШВЛ Savina можна визначити оптимальну програму діагностування.

Для визначення оптимальної програми діагностування апарату ШВЛ Savina слід побудувати матрицю множин станів апарату ШВЛ (Таблиця 7.1) на основі його функціонально-логічної моделі (Рисунок 6.1). Припустимі значення ймовірності виникнення того чи іншого стану визначаються у процесі експлуатації приладу шляхом оброки статистичних даних.

Щоб дані у матриці були більш достовірними, Таблиця 7.1 — Матриця множин станів апарату ШВЛ Savina

На основі матриці множин станів виводиться матриця працездатності:

Таблиця 7.2 — Матриця працездатності апарату ШВЛ Savina

Шляхом скорочення матриці працездатності отримується матриця програми оцінки технічного стану:

Таблиця 7.3 — Матриця програми оцінки технічного стану

За допомогою цієї матриці складається оптимальна програма діагностування апарату ШВЛ Savina за якою процес оцінки технічного стану повинен виконуватися у такій послідовності:

b12>b4>b5>b11>b10>b9>b7>b2>b1>b13>b8>b6>b3.

Висновок У ході виконання курсової роботи було проведено інженерний аналіз апарату ШВЛ Savina, у якому було визначено його принцип дії, основні технічні характеристики, умови експлуатації; також було проведено аналіз статистичних даних щодо проявів можливих відмов пристрою. Були складені функціональна та структурна схеми апарату ШВЛ Savina, проведений їх опис. Було проведено визначення рівня контролепридатності та ремонтопридатності, у відповідності до державних стандартів України. Також при виконанні курсової роботи було побудовано функціонально-логічну модель на основі функціональної схеми. Нарешті була визначена оптимальна програма діагностування апарату ШВЛ Savina.

Список використаних джерел

1) ДСТУ IEC 60 706−3:2008;

2) ДСТУ 2389−94

3) ДСТУ 2508−94

4) ДСТУ 2860−94;

5) Бурлаков Р. И., Гальперин Ю. Ш., Юревич В. М. «Искусственная вентиляция легких (принципы, методы, аппаратура).» — М.: Медицина, 1986. — 240 с.

6) Левшанов А. И. «Искусственная и вспомогательная вентиляция легких современными аппаратами» — СПб, 1993

7) Черкасов Г. Н. «Надежность аппаратно-программных комплексов. Учебное пособие.» — СПб.: Питер, 2005. — 479 с.:ил.