Устройство для образования парогазовой смеси "газ-носитель- анестетик"

 

Изобретение относится к области медицины, в частности к устройствам, вызывающим изменения в состоянии сознания пациента. Устройство содержит линию подачи газа-носителя, датчик его объемного расхода, емкость для жидкого анестетика, камеру испарения анестетика и задатчик объемной концентрации паров анестетика в парогазовой смеси. Новым в устройстве является то, что в него введен уплотненный поршень, шаговый двигатель, исполнительный механизм и вычислительное устройство, к первому входу которого подключен выход датчика объемного расхода газа-носителя, ко второму - выход задатчика объемной концентрации паров анестетика в парогазовой смеси, а выход вычислительного устройства соединен с шаговым двигателем, выходной вал которого через исполнительный механизм связан с уплотненным поршнем, помещенным в цилиндр для жидкого анестетика. Технический результат - повышение точности дозирования паров анестетика. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области медицины, в частности к устройствам, вызывающим изменения в состоянии сознания пациента. Оно предназначено для ингаляционного наркоза, предусматривающего контролируемое введение пациента в состояние сна и контролируемое выведение его из этого состояния.

Аппараты для ингаляционного наркоза и связанные с ними устройства для образования парогазовой смеси "газ-носитель - анестетик" достаточно широко освещены в специальной литературе. Так, в источнике [1] представлена блок-схема аппарата для ингаляционного наркоза, содержащая источник газов-носителей, дозиметр, обеспечивающий регулируемую подачу газов-носителей, испаритель жидких анестетиков и дыхательный контур для подачи пациенту или отведения от него парогазовой смеси. При этом источником паров анестетика служит испаритель, например испаритель с делением потока газа-носителя [2] . Протекающий через аппарат газ-носитель делится на два потока, один из которых проходит через камеру испарителя, где насыщается парами анестетика, а второй - через обводной канал (байпас), при этом изменение концентрации анестетика в парогазовой смеси на выходе испарителя осуществляют относительным изменением сопротивлений линий камеры и байпаса посредством специальных кранов сопротивления (дросселей). Таким образом, в упомянутом аппарате сперва создается парогазовая смесь с максимально возможной при данных окружающих условиях объемной концентрацией паров анестетика, а затем уже образуется парогазовая смесь с требуемой для работы объемной концентрацией этих паров.

В целом объемную концентрацию анестетика в парогазовой смеси на выходе испарителя определяют отношение расходов газа-носителя через камеру испарителя и байпас V_к/V_б, парциальное давление насыщенных паров анестетика P_ан и атмосферное давление P_ат.

Известно, что максимально возможная объемная концентрация паров анестетика определяется как отношение парциального давления насыщенных паров анестетика P_ан к атмосферному давлению P_ат.

C = P_ан/P_ат Атмосферное давление непостоянно, зависит от высоты над уровнем моря и даже на одной и той же высоте непрерывно колеблется в довольно широких пределах. Что касается парциального давления насыщенных паров анестетика, то оно также непостоянно и зависит от температуры испаряющегося анестетика в камере испарения P_ан = f(t^o) (при этом давление насыщенных паров анестетика меняется примерно в два раза на каждые 10^oC).

Температура жидкого анестетика вследствие его испарения непрерывно меняется. Особенно быстро меняется температура верхнего слоя жидкого анестетика толщиной всего в несколько молекул, с которого, собственно, и происходит испарение. Применяемые для стабилизации температуры жидкого анестетика меры путем использования различных термостатов (например, водяной бани) или термокомпенсаторов, малоэффективны, поскольку не могут учесть температуру именно поверхностного слоя жидкости. Из сказанного следует, что фактическая величина объемной концентрации паров жидких анестетиков в испарительной камере является величиной неопределенной. Как было упомянуто выше, на втором этапе парогазовую смесь на выходе испарительной камеры разбавляют чистым газом-носителем до получения требуемой для работы объемной концентрации паров анестетика. Так, например, при использовании в качестве анестетика фторотана при нормальных условиях (температура 20^oC, давление 760 мм рт. ст. ) в испарительной камере создается объемная концентрация паров фторотана, равная 32 об. %, в то время как величина объемной концентрации паров фторотана в парогазовой смеси, используемая при работе, составляет обычно 0,5 - 3 об. %. Таким образом, на втором этапе парогазовую смесь необходимо разбавить газом-носителем в 10-50 раз. В связи с тем, что потоки газа-носителя не превышают 12-18 л/мин и колеблются в широких пределах, значительное влияние на характеристики дроссельных устройств оказывают коэффициенты истечения μ, значения которых даже для одного и того же дросселя могут колебаться в пределах (5 - 7)%.

Таким образом, объемная концентрация паров анестетика на выходе наркозного аппарата зависит от ряда внешних факторов и достаточно нестабильна. Это подтверждается тем, что даже международным стандартом к наркозному аппарату в момент его выпуска с завода-изготовителя при проведении испытаний в нормальных условиях предъявляются требования по точности, равные 15% от установленного значения. Естественно, что при отклонении окружающих условий от нормальных точность дозирования еще более ухудшается.

Наиболее близким к заявляемому устройству, по мнению заявителя, является дозатор газообразных, точнее, парогазовых смесей [3] , содержащий резервуар для жидкого анестетика, канал истечения анестетика под давлением, линейный преобразователь скорости потока газа-носителя в давление, выполненный в виде вытянутого канала постоянного сечения на всем пути потока газа-носителя, и отборника давления газа-носителя (задатчика объемной концентрации анестетика), выполненного в виде крана-переключателя и подсоединенного к резервуару с жидким анестетиком, а также камеру испарения, которая является продолжением канала линейного преобразователя и оснащена насадкой. Это устройство выгодно отличается от описанных выше аналогов тем, что создаваемая в парогазовой смеси объемная концентрация паров анестетика не зависит от температуры анестетика в испарительной камере и давления окружающей среды, что создает более оптимальные возможности в регулировании состава парогазовой смеси "газ-носитель - анестетик" на выходе наркозного аппарата.

Однако в связи с тем, что длина линейного преобразователя ограничена, равно как ограничено и число возможных подключаемых каналов отборника давления, объемная концентрация паров анестетика в камере испарения такого устройства может регулироваться только в виде дискретных значений.

Так как пространство от места замера давления газа-носителя во входной магистрали до резервуара с анестетиком является замкнутым, а создать абсолютно герметичный переключатель (без перетечек между каналами измерения) невозможно, то обязательно имеют место перетечки между задействованным каналом измерения и соседними с ним, в результате чего измерение давления происходит с неизбежной погрешностью.

Канал, через который жидкий анестетик выдавливается в испарительную камеру, должен быть выполнен в виде капилляра (линейного сопротивления) с характеристиками, максимально близкими к дроссельным характеристикам канала измерения. Но при этом следует учитывать, что на характер истечения жидкости через капилляр влияет ряд факторов, в том числе коэффициенты вязкости и поверхностного натяжения, зависящие от температуры жидкости. Поэтому и в рассматриваемом дозаторе неизбежно возникают погрешности в дозировании паров анестетика в парогазовой смеси, превышающие допустимые.

Отсюда задача, которая стояла перед авторами изобретения, заключалась в повышении точности дозирования паров анестетика в парогазовой смеси на выходе наркозного аппарата, обеспечиваемой минимальной зависимостью процесса дозирования жидкого анестетика как от параметров окружающей среды, так и от конструктивных особенностей дозирующих устройств (например, таких, как перетекание газа в соседних каналах переключателя, капиллярных явлений и т. д. ).

Поставленная задача была решена созданием устройства для образования парогазовой смеси "газ-носитель - анестетик" с дозированной концентрацией паров анестетика, содержащего линию подачи газа-носителя, датчик его объемного расхода, емкость цилиндрической формы для жидкого анестетика, камеру испарения анестетика и задатчик объемной концентрации анестетика в парогазовой смеси, в которое дополнительно введено вычислительное устройство, к первому входу которого подключен датчик объемного расхода газа-носителя, ко второму - выход задатчика объемной концентрации паров анестетика, а выход вычислительного устройства подключен к шаговому двигателю, выходной вал которого через исполнительный механизм соединен с уплотненным поршнем, помещенным в емкость цилиндрической формы для жидкого анестетика, имеющую выходное отверстие, связанное с камерой испарения анестетика. При этом исполнительный механизм может быть выполнен, например, в виде винтового редуктора (винтовой пары), а датчик объемного расхода газа-носителя выполнен в виде тахомерического преобразователя объемной скорости газа-носителя в частоту электрических импульсов.

Из приведенной совокупности существенных признаков, характеризующих устройство, общими с признаками устройства-прототипа являются следующие: Оба устройства содержат: а) линию подачи газа-носителя; б) датчик объемного расхода газа-носителя; в) емкость для жидкого анестетика цилиндрической формы; г) камеру испарения анестетика; д) задатчик объемной концентрации паров анестетика в парогазовой смеси (в устройстве-прототипе его роль играет отборник давления);
От устройства-прототипа отличительной является следующая совокупность существенных признаков заявляемого устройства:
е) наличие вычислительного устройства;
ж) к первому входу вычислительного устройства подключен выход датчика объемного расхода газа-носителя;
з) ко второму входу вычислительного устройства подключен выход задатчика объемной концентрации паров анестетика;
и) подключение выхода этого устройства к шаговому двигателю;
к) выходной вал шагового двигателя через исполнительный механизм соединен с уплотненным поршнем;
л) уплотненный поршень помещен в емкость для жидкого анестетика;
м) емкость для жидкого анестетика имеет выходное отверстие, связанное с камерой испарения;
н) исполнительный механизм выполнен в виде винтового редуктора;
о) датчик объемного расхода газа-носителя выполнен в виде тахометрического преобразователя объемной скорости газа-носителя в частоту электрических импульсов.

Отличительные признаки е) - м) являются обязательными для заявляемого устройства во всех случаях, а признаки н) и о)- лишь в частных случаях.

Предлагаемое устройство показано на чертеже.

Здесь магистральная линия подачи газа-носителя 1 через датчик объемного расхода газа-носителя 2 соединена с камерой испарения анестетика 3. Выход 4 датчика 2 связан с первым входом 5 вычислительного устройства 6, ко второму входу 7 которого подключен выход 8 задатчика объемной концентрации паров анестетика в парогазовой смеси 9. Выход 10 вычислительного устройства 6 подключен к шаговому двигателю 11, который через исполнительный механизм (редуктор) 12 соединен с уплотненным поршнем 13, находящимся в емкости цилиндрической формы для жидкого анестетика 14, выходное отверстие 15 емкости 14 соединено со входом 16 камеры испарения анестетика 3.

Подготовка устройства к работе может осуществляться в следующем порядке.

Перед включением устройства магистральную линию подачи газа-носителя подключают к соответствующему источнику питания, например к баллону со сжатым кислородом (на чертеже не показан). В емкость 14 поверх уплотненного поршня 13 заливают анестетик, например фторотан. Производят подключение вычислительного устройства 6 и шагового двигателя 11 к электросети.

Устройство работает следующим образом.

В частном случае датчик объемного расхода газа-носителя 2 выполнен в виде тахометрического преобразователя объемной скорости газа-носителя в частоту электрических импульсов и, в конечном счете, в электрический сигнал, поступающий с выхода 4 датчика 2 на первый вход 5 вычислительного устройства 6. Например, такой электрический сигнал подается на вход 5 устройства 6 при прохождении через датчик расхода 10 см³ газа-носителя и выработке в датчике 2 соответствующего числа электрических импульсов.

Предварительно определяют (устанавливают) объемную концентрацию паров анестетика (фторотана) в парогазовой смеси, необходимую для контролируемого введения пациента в состояние сна и его контролируемого выведения из этого состояния.

Допустим, что при расходе кислорода в 10 см³ объемная концентрация паров фторотана составляет (должна быть) 1 об. %. Информация о требуемой объемной концентрации фторотана в 10 см³ кислорода поступает в виде электрического сигнала с выхода 8 задатчика 9 на второй вход 7 вычислительного устройства 6, с выхода которого подается команда на срабатывание шагового двигателя 11.

Редуктор 12 и площадь поперечного сечения уплотненного поршня 13, находящегося в емкости для жидкого анестетика 14, подобраны таким образом, что указанная объемная концентрация фторотана в 10 см³ кислорода обеспечивается доставкой (выдавливанием) из емкости 14 в камеру испарения 3 соответствующего объема фторотана (равного 0,00047781 см³) при повороте шагового двигателя на 10 шагов. Соответственно, если задатчиком 9 задана объемная концентрация 0,5% объемных фторотана при том же расходе кислорода, то вычислительное устройство 6 выдает команду на поворот двигателя 11 на 5 шагов; если задана объемная концентрация фторотана в 2 об. %, то на 20 шагов и т. д.

Поскольку выходной вал шагового двигателя 11 через винтовой редуктор 12 связан с уплотненным поршнем 13, то после перемещения вала двигателя 11 на строго определенное число шагов происходит выдавливание поршнем 13 столь же строго определенного объема жидкого анестетика (фторотана) в камеру испарения 3, через которую протекает зафиксированный числом импульсов датчика 2 объем кислорода. Эта процедура повторяется после каждого отсчета числа импульсов, соответствующих прохождению через датчик 2, например, 10 см³ газа-носителя.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает непрерывное и контролируемое дозирование паров анестетика в парогазовой смеси в ходе поступления ее пациенту. При этом, поскольку объемная концентрация паров анестетика в смеси существенно ниже, чем предельно допустимая при данных условиях окружающей среды, (температуры и давления), то испарение введенного в камеру испарения анестетика не зависит ни от температуры жидкого анестетика, ни от давления в камере испарения и, следовательно, в испарительной камере и далее в линии пациента создается и поддерживается заданная объемная концентрация паров анестетика.

Конструкция заявляемого устройства такова, что точность его работы зависит только от точности работы датчика расхода газа-носителя и составляет (2-3) об. % при любых условиях окружающей среды, что существенно превышает уровень точности, достигнутый устройствами-аналогами. В сравнении же с дозатором-прототипом точность дозирования дополнительно повышается за счет возможности непрерывно (плавно) менять установленную объемную концентрацию паров анестетика (в устройстве - прототипе объемную концентрацию паров анестетика можно менять только дискретно), а также за счет исключения капилляра и связанных с ним дополнительных погрешностей.

Источники информации
1. А. И. Трушин, В. М. Юревич. Аппараты ингаляционного наркоза. - М. : Медицина, 1989, с. 3-5.

2. А. З. Берлин, А. В. Мещеряков. Наркоз и дозирование анестетиков. - М. : Медицина, 1980, с. 41-58.

3. А. с. СССР N 238104 "Дозатор газообразных наркотических смесей".

Формула изобретения

1. Устройство для образования парогазовой смеси "газ-носитель - анестетик" с дозированной объемной концентрацией паров анестетика, содержащее линию подачи газа-носителя, датчик его объемного расхода, емкость цилиндрической формы для жидкого анестетика, камеру испарения анестетика и задатчик объемной концентрации паров анестетика в парогазовой смеси, отличающееся тем, что в него введено вычислительное устройство, шаговый двигатель, исполнительный механизм и уплотненный поршень со следующими соединениями: к первому входу вычислительного устройства подключен выход датчика объемного расхода газа-носителя, ко второму - выход задатчика объемной концентрации паров анестетика в парогазовой смеси, а выход вычислительного устройства соединен с шаговым двигателем, выходной вал которого через исполнительный механизм связан с уплотненным поршнем, помещенным в емкость цилиндрической формы для жидкого анестетика, имеющую выходное отверстие, соединенное с камерой испарения анестетика.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что исполнительный механизм выполнен в виде винтового редуктора.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик объемного расхода газа-носителя выполнен в виде тахометрического преобразователя объемной скорости газа-носителя в частоту электрических импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1