Návrh signálu pro multifrekvenční ventilaci výrazně nehomogenních plic novorozenců

Abstract

Plíce novorozenců s patologickým vývojem nejsou mechanicky homogenní a nejúčinnější frekvence ventilace pro výměnu plynu se může v různých oblastech plic podstatně lišit. V současnosti není žádný z používaných druhů umělé plicní ventilace schopen reflektovat a simultánně řešit rozdílné požadavky nehomogenních plic. Cílem diplomové práce je navrhnout multifrekvenční signál pro optimální ventilaci nehomogenních plic novorozenců. V rámci práce byl vytvořen matematický a pneumatický model nehomogenních plic. Pneumatický model sloužil k získání mechanických parametrů jednotlivých kompartmentů nehomogenních plic potřebných k matematickým simulacím. Dále pomocí něj bylo ověřeno správné chování matematického modelu. Byl navržen multifrekvenční signál složený ze tří složek s frekvencemi 0,3 Hz, 3 Hz a 6 Hz, které jsou optimální pro ventilaci simulované plicní nehomogenity. Pomocí matematických simulací a výpočtů byla vyhodnocena minutová ventilace a protektivita ventilace multifrekvenčním signálem ve srovnání s ventilací monofrekvenčními signály stejných frekvencí, jako jsou složky obsažené v navrženém multifrekvenčním signálu. Výsledky srovnání dokazují lepší minutovou ventilaci multifrekvenčního signálu než signálů s frekvencemi 0,3 Hz a 3 Hz při srovnatelné protektivitě ventilace. Výhoda ventilace multifrekvenčním signálem proti ventilaci signálem s frekvencí 6 Hz je dosažení vyšších tlakových amplitud v plicních kompartmentech, čímž je zajištěna lepší výměna plynu v plicích. Multifrekvenční signál ve všech případech dosahoval lepší distribuce ventilace a energetické zátěže v nehomogenních plicních kompartmentech.

Lungs of neonates with pathological development are not mechanically homogeneous, and the most effective ventilation frequencies for gas change may vary across the different lung regions. At present, none of the types of artificial lung ventilation used are capable of reflecting and simultaneously addressing the different requirements of inhomogeneous lungs. The aim of the diploma thesis is to design a multifrequency signal for optimal ventilation of inhomogeneous neonatal lungs. As part of the work, a mathematical and pneumatic model of inhomogeneous lungs was created. The pneumatic model was used to obtain the mechanical parameters of the inhomogeneous lung compartments needed for mathematical simulations. It also verified the correct behaviour of the mathematical model. A multifrequency signal was designed, composed of three components with frequencies of 0.3 Hz, 3 Hz and 6 Hz, which are optimal for ventilating simulated lungs inhomogeneity. Using mathematical simulations and calculations, minute ventilation and ventilation protection were evaluated and compared for the multifrequency signal and monofrequency signals of the same frequencies as those contained in the proposed multifrequency signal. The comparison results show better minute ventilation of the multifrequency signal than 0.3 Hz and 3 Hz signals with comparable ventilation protection. The advantage of ventilation with the multifrequency signal against the signal with frequency 6 Hz is to gain higher pressure amplitudes in the lung compartments to provide better gas exchange in the lungs. In all cases, the multifrequency signal provided better ventilation distribution and energy load distribution in inhomogeneous lung compartments.