Способ стабилизации выходной концентрации анестетика и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2329832:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "МИНИВАП" (RU)
Изобретение относится к медицинской технике. Способ включает деление общего потока газа между испарительной камерой и байпасом посредством ламинарных гидромеханических сопротивлений, равновесное насыщение парами анестетика части газа, проходящей через испарительную камеру, с последующим разбавлением до заданной клинической концентрации второй частью газа, проходящей через байпас, корректировку деления общего потока газа с учетом температуры и давления. Предварительно располагают газопроводы байпаса и испарительной камеры в горизонтальных плоскостях на одном уровне, в случае повышения выходной концентрации анестетика при малых газотоках поднимают уровень байпаса над испарительной камерой и опускают байпас в противоположном случае. Раскрыт испаритель анестетиков для осуществления способа. Технический результат состоит в повышении точности дозирования. 2 н.п. ф-лы, 5 з.п.-ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к испарителям анестетиков и аппаратам ингаляционного наркоза (ИН). Испаритель насыщает поток газа-носителя (атмосферный воздух или сжатые медицинские газы) парами анестетика, после чего сформированную парогазовую смесь подают пациенту.
Известны различные способы стабилизации концентрации анестетика на выходе испарителя и различные конструкции для реализации указанных способов (патенты РФ №№2178314, А61М 16/01, 2000 г.; 2000817, А61М 16/18, 1991 г.; 1810061, 1991; патенты США №№6526297, 600/310, 2000; 6816669, 392/397, 2004; кн. Берлин А.З, Мещеряков А.В. «Наркоз и дозирование анестетиков». М., Медицина, 1980).
Известные способы и устройства, отличаясь конечной конструктивной реализацией, имеют общие характерные существенные недостатки:
- высокое сопротивление потоку газа, что не позволяет работать на воздухе (Draw-over Anesthesia) в случае отсутствия источников сжатых медицинских газов;
- значительные потери дорогого и дефицитного анестетика из-за большой емкости фитилей (60-70 мл жидкого анестетика идет только на пропитку фитилей современных испарителей при стоимости, например, севофлюрана 1 доллар/мл), что существенно удорожает эксплуатацию и загрязняет рабочее место анестезиолога.
Известна методика (Dobson M.B. Anaesthesia at the district hospital. 2nd edn. 2001) и аппаратура (испаритель анестетиков низкого сопротивления «Анестезист-2», приведенный в авторском свидетельстве СССР №440016, А61М 17/00, 1974 и патенте США №3836129, 261/47, 1974) для «Draw-over Anesthesia». Указанное устройство и способ стабилизации выходной концентрации анестетика является наиболее близким по технической сущности и выбран в качестве прототипа патентуемого изобретения.
Известный испаритель позволяет работать как при наличии сжатых медицинских газов в условиях больниц и клиник, так и при их отсутствии в военно-полевых условиях.
Однако применение методики «Draw-over Anesthesia» ограничено ввиду недостаточной стабильности дозирования анестетиков. В частности:
- неудовлетворительная стабильность дозирования при малых газотоках (менее 2 л/мин - Low Flow Anesthesia) при использовании современных полузакрытого и закрытого дыхательных контуров;
- неудовлетворительная стабильность дозирования анестетиков при изменении давления окружающей среды (высокогорье), а также при пульсации давления и расхода газа в дыхательном контуре пациента;
- необходимость ручной корректировки концентрации в случае изменения температуры.
Так, лучшие зарубежные испарители низкого сопротивления (OMV Penlon, Ohmeda РАС) уже не работают при газотоке менее 2 л/мин. В этом случае перепад давления (сопротивление газотоку) испарителя (делителя потоков) как управляющее воздействие очень мал и сопоставим с разностью плотностей газа-носителя и паров анестетика как возмущающим фактором.
Пример 1
Перепад давления из-за разности плотностей воздуха и паров анестетика (галотана) в испарителе OMV Penlon при разнице уровней байпаса и входа-выхода испарительной камеры 60 мм составляет около 1,5 Па (0,15 мм вод.ст.). Указанная величина вычитается из управляющего воздействия делителя потока, а при расходе газа около 1,5 /мин тяжелые пары анестетика просто перекрывают проход свежего газа в испарительную камеру. При этом выходная концентрация равна нулю при любом положении шкалы испарителя.
С другой стороны, необходимость равновесного насыщения газа-носителя в испарительной камере вступает в противоречие со стабильным делением потока газа при пульсации расхода и давления газа ("back pressure") в дыхательном контуре пациента. Так, испарительные камеры современных испарителей имеют протяженные и извилистые газоходы для удлинения времени контакта газа-носителя с поверхностями испарения (фитилями) анестетика, что не соответствует прямому и короткому байпасному газоходу. Такая критическая асимметричность является причиной существенной нестабильности дозирования при динамических процессах (пульсации расхода и давления газа в дыхательном контуре пациента).
Настоящее изобретение решает задачу повышения точности дозирования в максимально широких диапазонах постоянных и пульсирующих потоках газа, температуры и давления окружающей среды.
Решение поставленной задачи достигается совокупностью новых схемотехнических и конструктивных решений, реализованных в патентуемом изобретении.
Испаритель анестетиков аналогичный конструкции, описанной в авторском свидетельстве №440016, содержащий делитель потока газа в виде щелевых каналов на линиях байпаса и испарительной камеры, оснащенной фитилями, шкалу концентраций анестетика, закрепленную на делителе, вход и выход, согласно настоящему изобретению снабжен термобарокомпенсатором и термостабилизатором, термически связанными между собой и с дном испарительной камеры, делитель установлен горизонтально внутри испарительной камеры, примыкает к ее крышке и механически связан с термобарокомпенсатором.
Изобретением предусмотрено, что термобарокомпенсатор выполнен в виде соосно установленных сильфона с легкоиспаряющейся жидкостью, трубчатого конусного наконечника с конфузором на внутренней поверхности, конусного обтюратора, взаимодействующего с конфузором, и тарельчатого клапана, взаимодействующего с упомянутым наконечником, при этом один конец сильфона закреплен на оси испарителя, а свободный конец соединен с обтюратором и закрепленным на нем тарельчатым клапаном, установленными с возможностью продольного перемещения вдоль оси испарителя.
При этом термостабилизатор выполнен в виде резервуара с эластичными стенками, установлен на дне испарительной камеры и заполнен термостабилизирующей жидкостью.
Согласно изобретению, делитель потока газа оснащен спиральным дефлектором в виде многоходовой цилиндрической пружины, размещенной вдоль байпаса, суммарная длина каждого витка пружины соответствует средней длине параллельных газоходов испарительной камеры.
Предусмотрено, что испарительная камера снабжена направляющими для пластин в виде цилиндрических пружин растяжения, диаметр и межвитковый зазор которых пропорционален расстоянию от делителя потока.
Способ стабилизации концентрации анестетика на выходе испарителя, включающий, согласно авторскому свидетельству №440016, деление общего потока газа между испарительной камерой и байпасом посредством ламинарных гидромеханических сопротивлений, равновесное насыщение парами анестетика части газа, проходящего через испарительную камеру, с последующим разбавлением до заданной клинической концентрации второй частью газа, проходящей через байпас, корректировку деления общего потока газа с учетом температуры и давления, в соответствии с настоящим изобретением, первоначально располагают газопроводы байпаса и испарительной камеры в горизонтальных плоскостях на одном уровне, в случае повышения выходной концентрации анестетика при малых газотоках, поднимают уровень байпаса над испарительной камерой и опускают байпас в противоположном случае.
При этом, в случае понижения выходной концентрации анестетика при больших газотоках, дополнительно закручивают байпасный поток газа, за счет чего увеличивают сопротивление байпаса, относительную долю потока газа, проходящего через испарительную камеру, и выходную концентрацию анестетика.
Технический результат патентуемого изобретения заключается в следующем:
- повышение стабильности дозирования в широких диапазонах расходов газа от 0,1 до 15 л/мин, температур от 5 до 35°С, а также атмосферного давления от 70 кПа (3 км над уровнем моря) до 110 кПа;
- повышение стабильности дозирования при пульсации давления и расхода газа в дыхательном контуре пациента;
- повышение экономичности использования анестетиков благодаря минимизации объема фитилей (до 3 мл).
Сущность изобретения поясняется описанием примера конструктивной реализации патентуемого испарителя и чертежами, на которых представлено:
Фиг.1 - продольное сечение испарителя;
Фиг.2 - термостабилизатор;
Фиг.3 - размещение триплексных пластин в испарительной камере;
Фиг.4 - спиральный дефлектор.
Патентуемый испаритель анестетиков содержит (Фиг.1) испарительную камеру 1 с фитилями, делитель потока газа в виде щелевых каналов на линиях испарительной камеры 1 и байпаса 2, шкалу концентраций анестетика, закрепленную на делителе (не показана), вход 3 и выход 4. Делитель потока газа выполнен в виде трубчатого золотника 10 со щелевыми каналами 12, 13 переменного сечения на своей наружной поверхности и выходным конфузором 15 на внутренней, сердечника 18 с обтекателем 19 на входе и конусным обтюратором 20 на выходе и тарельчатого клапана 22, закрепленного на сердечнике 18 напротив конусного наконечника 23 золотника 10 с образованием кольцевого зазора на выходе испарительной камеры 1, при этом золотник 10 установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и подключения щелевых каналов 12, 13 между байпасом и испарительной камерой 1. Термобарокомпенсатор выполнен в виде герметичного сильфона 25 с легкоиспаряющейся жидкостью 26, один конец которого закреплен на оси испарителя, а свободный конец связан с сердечником 18, установленным с возможностью продольного перемещения от выхода 4 к входу 3 при увеличении температуры или уменьшении атмосферного давления и обратного перемещения при уменьшении температуры или увеличении атмосферного давления.
Термостабилизатор (Фиг.2) выполнен в виде резервуара 28 с эластичными стенками, установлен на дне испарительной камеры 1 и заполнен термостабилизирующей жидкостью, например водным соляным раствором, до самого верха. Фитили выполнены в виде триплексных пластин 30, установлены в рамках на крышке резервуара 28 с зазором между собой и симметрично по обе стороны корпуса 33 делителя, примыкающего к крышке 35. При этом боковые элементы триплексных пластин выполнены из пористого листового металла 40 (Фиг.3), например из нержавеющей стали, и прижаты к центральной пластине 42 из теплопроводного металла (меди), имеющей выпуклый и обтекаемый по ходу газа профиль. Рамки для триплексных пластин выполнены в виде цилиндрических пружин 45 растяжения, диаметр Di и межвитковый зазор (Li-Li-1) которых пропорционален расстоянию Li от делителя потока.
Делитель потока газа оснащен спиральным дефлектором (Фиг.4) в виде многоходовой (двух- или трехходовой) цилиндрической пружины 50, размещенной вдоль байпасного газохода 51. Диаметр проволоки d пружины 50 равен кольцевому зазору 2 на Фиг.1, а суммарная длина каждого витка пружины 50 соответствует средней длине параллельных газоходов испарительной камеры 1.
Испаритель анестетиков работает следующим образом. Для установки требуемой концентрации анестетика золотник 10 поворачивают вокруг оси до соответствующей отметки шкалы, при этом подключают к входу и выходу испарительной камеры 1 щелевые каналы 12, 13 соответствующей длины и поперечного сечения. Часть газа поступает через каналы 12 на вход испарительной камеры 1, проходит между триплексными пластинами 30 и насыщается до равновесной концентрации анестетика, затем возвращается в байпас 2 через каналы 13, кольцевой зазор между наконечником 23 и клапаном 22, затем разбавляется на выходе испарителя основным потоком газа, проходящим через байпас 2, до требуемой концентрации. Для увеличения выходной концентрации золотник 10 поворачивают против часовой стрелки, подключая щелевые каналы с меньшим гидравлическим сопротивлением (меньшей длины и большего поперечного сечения) и наоборот. При установке шкалы концентрации на «0» испарительную камеру 1 изолируют от байпаса 2.
Жидкий анестетик поступает к поверхностям испарения триплексных пластин 30 по капиллярам (порядка 10 мкм) пористого листового металла 40, а также через щелевые зазоры (порядка 20-50 мкм) между центральной пластиной 42 и пористой пластиной 40 за счет сил поверхностного натяжения анестетика. Тепло к поверхностям испарения поступает из окружающей среды через теплопроводные стенки испарительной камеры 1 и из термостабилизатора 28, слой жидкого анестетика и центральные медные пластины 42.
При уменьшении температуры испарителя и соответствующем снижении равновесной концентрации анестетика давление внутри сильфона 25 также уменьшается, и его свободный конец перемещает сердечник 18 к выходу 4 испарителя. При этом кольцевой зазор байпаса 2 уменьшается, а кольцевой зазор между наконечником 23 и клапаном 22 на выходе камеры увеличивается, в свою очередь, увеличивая относительную долю газа, поступающего в испарительную камеру 1, и стабилизируя, в итоге, выходную концентрацию анестетика. При увеличении температуры соотношение потоков газа автоматически корректируется в обратную сторону.
Одновременно сильфон работает как барокомпенсатор, аналогично уменьшая относительный поток газа через испарительную камеру при уменьшении атмосферного давления (сильфон расширяется) и наоборот (сильфон сжимается при увеличении атмосферного давления).
Способ стабилизации выходной концентрации анестетика, включающий деление общего потока газа между испарительной камерой и байпасом посредством ламинарных гидромеханических сопротивлений, равновесное насыщение парами анестетика части газа, проходящего через испарительную камеру, с последующим разбавлением до заданной клинической концентрации второй частью газа, проходящей через байпас, корректировку деления общего потока газа с учетом температуры и давления осуществляют, согласно настоящему изобретению, следующим образом. Предварительно размещают газопроводы байпаса и испарительной камеры в горизонтальных плоскостях на одном уровне, в случае повышения выходной концентрации анестетика при малых газотоках поднимают уровень байпаса над испарительной камерой, в противоположном случае - опускают байпас. В зависимости от конструкции испарителя можно также поднимать выход испарителя относительно его входа в первом случае, и наоборот, опускать выход относительно входа - в противоположном случае.
Пример 2
В экспериментальном образце испарителя МИНИВАП-100 (BMV-100) газопроводы байпаса и испарительной камеры (средневзвешенные сечения, при этом в камере 50 мл анестетика) располагают в горизонтальных плоскостях на одном уровне. При минимальном газотоке 0,15 л/мин и стандартных температуре и давлении концентрация анестетика (галотана) на отметках «1» и «3» составляет 1,5 и 4,5 об.% соответственно. В процессе доводки изделия байпас поднимают выше среднего уровня испарительной камеры на 10 мм, так что корпус байпаса примыкает к крышке испарительной камер. В этом случае выходная концентрация при вышеприведенных условиях составляет 1,2 и 3,5 об.% соответственно.
Действительно, при перемещении байпаса относительно испарительной камеры вверх дополнительный перепад давления, который преодолевает часть газа, проходящая через испарительную камеру, составляет (ср. Пример 1)
Δρ·g·Δh=(1,21-3,45)кг/м3 9,8 м/с2 0,01 м=-0,22 Па,
где Δρ - разница плотностей газа-носителя (воздуха) и насыщенных паров анестетика;
g - ускорение свободного падения;
Δh - разница уровней байпаса и камеры.
В то же время перепад давления делителя (управляющий сигнал) составляет при расходе газа 0,15 л/мин около 0,75 Па. Снижение эффективного перепада давления на линии испарительной камеры на (0,22/0,75)100=30% приводит, согласно расчетной оценке (см. кн. Берлина А.З. и Мещерякова А.В., формула (19)), также к снижению выходной концентрации на 30%, т.е. соотвественно к 1,05 и 3,15 об.%, что согласуется с экспериментальными данными.
В случае понижения выходной концентрации анестетика при больших газотоках и концентрациях дополнительно закручивают байпасный поток газа, за счет чего увеличивают сопротивление байпаса, относительную долю потока газа, проходящего через испарительную камеру, и выходную концентрацию анестетика. При этом большая часть тепла для испарения анестетика поступает из термостабилизатора 28.
Пример 3
В экспериментальном образце испарителя МИНИВАП-100 при расходе воздуха 10 л/мин выходная концентрация галотана на отметке «3» первоначально составляет 2 об.% (из-за значительных тепловых и массообменных нагрузок). В этом случае дополнительно закручивают байпасный поток газа (турбулизация потока), за счет чего увеличивают сопротивление байпаса на 30% при прежнем газотоке 10 л/мин и соответственно поднимают относительную долю потока газа, проходящего через испарительную камеру, и выходную концентрацию анестетика также на 25-30%, т.е. до концентрации 2,6 об.%. При этом сопротивление испарителя при малых газотоках (ламинарный режим) не изменяется, т.к. турбулизация потока возникает только при высоких скоростях.
Таким образом, предлагаемый испаритель низкого сопротивления МИНИВАП-100 обеспечивает стабильное дозирование современных анестетиков (изофлюрана, или фторотана-галотана, или энфлюрана, или севофлюрана) в широких диапазонах постоянных и пульсирующих потоков газа от 0,25 до 15 л/мин, температур от 5 до 35°С и давлений окружающей среды. Испаритель экономичен и экологичен (только 3 мл жидкого анестетика остается на фитилях после слива, емкость испарительной камеры 100 мл). Его можно устанавливать как внутри (Draw-over Anesthesia), так и вне дыхательного контура. Благодаря низкому сопротивлению, испаритель совместим с любыми аппаратами ИВЛ и может работать также от источников кислорода низкого давления (оксигенаторов).
1. Способ стабилизации концентрации анестетика на выходе испарителя, включающий деление общего потока газа посредством ламинарных гидромеханических сопротивлений, равновесное насыщение парами анестетика одной части газа, проходящей через стабилизированную по температуре испарительную камеру, с последующим разбавлением до заданной концентрации второй частью газа, проходящей через байпас, корректировку деления общего потока газа с учетом температуры, отличающийся тем, что предварительно располагают газопроводы байпаса и испарительной камеры в горизонтальных плоскостях на одном уровне, в случае повышения выходной концентрации анестетика при малых газотоках, поднимают уровень байпаса относительно испарительной камеры или опускают байпас в противоположном случае, при понижении температуры или повышении атмосферного давления увеличивают относительную долю газа через испарительную камеру и уменьшают ее при обратном изменении температуры и давления.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, в случае понижения выходной концентрации анестетика при больших газотоках и концентрациях, дополнительно закручивают байпасный поток газа, за счет чего увеличивают сопротивление байпаса, относительную долю потока газа, проходящего через испарительную камеру и выходную концентрацию анестетика.
3. Испаритель анестетиков, содержащий делитель потока газа в виде ламинарных гидромеханических сопротивлений на линиях байпаса и испарительной камеры с наборами пластин из пористого металла, образующими параллельные щелевые каналы, шкалу концентраций анестетика, закрепленную на делителе, вход и выход для потока газа, отличающийся тем, что он снабжен термобарокомпенсатором и термостабилизатором, термически связанными между собой и с дном испарительной камеры, делитель установлен горизонтально внутри испарительной камеры, примыкает к ее крышке и механически связан с термобарокомпенсатором.
4. Испаритель по п.3, отличающийся тем, что термобарокомпенсатор выполнен в виде соосно установленных сильфона с легкоиспаряющейся жидкостью, трубчатого конусного наконечника с конфузором на внутренней поверхности, конусного обтюратора, взаимодействующего с конфузором, и тарельчатого клапана, взаимодействующего с упомянутым наконечником, при этом один конец сильфона закреплен на оси испарителя, а свободный конец соединен с обтюратором и закрепленным на нем тарельчатым клапаном, установленными с возможностью продольного перемещения вдоль оси испарителя.
5. Испаритель по п.3, отличающийся тем, что термостабилизатор выполнен в виде резервуара с эластичными стенками, установлен на дне испарительной камеры и заполнен термостабилизирующей жидкостью.
6. Испаритель по п.3, отличающийся тем, что делитель потока газа оснащен спиральным дефлектором в виде многоходовой цилиндрической пружины, размещенной вдоль байпаса, при этом суммарная длина каждого витка пружины соответствует средней приведенной длине параллельных газоходов испарительной камеры.
7. Испаритель по п.3, отличающийся тем, что испарительная камера снабжена направляющими для пластин в виде пружин растяжения, диаметр и межвитковый зазор которых пропорционален расстоянию от делителя потока.
