Улучшение респираторной поддержки при COVID

31 июля 2020 г.

Хенк Ван Аппевен, Технологический университет Эйндховена

Поскольку пандемия продолжает опустошать мир, механические аппараты искусственной вентиляции легких жизненно важны для выживания пациентов с COVID-19, которые не могут дышать самостоятельно. Одной из основных задач является отслеживание и контроль давления вентиляторов, чтобы пациенты получали именно то количество воздуха, которое им необходимо. Исследователи из Технологического университета Эйндховена (TU/e) разработали метод, основанный на алгоритмах самообучения, который повышает производительность контроллера в десять раз. Результаты были представлены на IFAC2020 — крупной международной конференции по автоматическому управлению.

Аппарат искусственной вентиляции легких закачивает воздух в легкие пациента и из него, когда он больше не может дышать (достаточно) самостоятельно. Переменный поток воздуха позволяет легким обменивать CO2 на O2 в крови, обеспечивая тем самым выживание пациента. Чтобы пациенты получали необходимое количество воздуха, крайне важно, чтобы давление воздуха точно соответствовало инструкциям врачей. Несоблюдение этого требования может привести к более высокой смертности.

Это не тривиальная проблема. Не все пациенты одинаковы, а системы шлангов и воздуходувок, используемые для подачи воздуха к пациенту, могут различаться, что приводит к нежелательным несоответствиям. Поэтому было проведено много исследований, чтобы решить эту проблему, используя такие методы, как адаптивное управление с обратной связью. Однако эти методы основаны на точных моделях пациентов, которые на практике не всегда доступны, поскольку не все пациенты одинаковы.

Исследователи из TU/e ​​используют альтернативную технику управления, которую доцент Том Оомен с факультета машиностроения разрабатывает для приложений в высокотехнологичной промышленности, таких как принтеры и сканеры пластин. Этот метод основан на алгоритмах самообучения и использует тот факт, что дыхание у седативных пациентов (которыми являются многие пациенты с COVID-19) имеет тенденцию быть очень регулярным, как и многие процессы в промышленности.

Технология, называемая повторяющимся контролем, позволяет учиться на ошибках машины и исправлять их за несколько итераций, используя данные измерений с датчиков машины. Применительно к механическому аппарату ИВЛ это может повысить точность давления и потока, обеспечиваемого аппаратом ИВЛ, в десять раз после нескольких вдохов, даже если емкость легких пациента неизвестна.

Методика была опробована на искусственных легких в лаборатории. Во всех трех сценариях (младенец, ребенок и взрослый) производительность отслеживания давления превосходила существующие устройства.

«Благодаря применяемому нами алгоритму самообучения мы можем достигать очень точных уровней давления независимо от того, какой пациент подключен к устройству. Это делает лечение гораздо более постоянным», — говорит Джои Рейндерс, доктор философии. кандидат кафедры «Динамика и управление» кафедры «Машиностроение» и один из задействованных научных сотрудников.

Рейндерс и его коллеги провели большую часть своих исследований в 2019 году, когда для многих людей пандемия коронавируса все еще была антиутопической фантазией. «Когда мы начали наше исследование, мы понятия не имели, что оно станет настолько актуальным», — говорит он. «Поэтому я очень доволен результатами, которые однажды могут оказаться спасением для пациентов с коронавирусом».

Он отмечает, что необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем эту технику можно будет использовать на практике. Рейндерс и его коллеги проводили испытания только на пациентах, находящихся под седативными препаратами, для которых метод повторяющегося контроля работает лучше всего, поскольку их характер дыхания очень регулярен. Однако аппараты искусственной вентиляции легких также используются для пациентов, которые все еще находятся в сознании и могут неожиданно начать дышать. Контроллер вентилятора также должен уметь справляться с такими ситуациями.