ИСПАРИТЕЛЬ АНЕСТЕТИКОВ
ANAESTHETIC EVAPORATOR

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 конструкции испарителей (патенты РФ №№2329832, 2329069, 2178314, 2000817, 1810061, а.с. СССР №631159; патенты США №№6526297, 6816669).
Испаритель анестетиков по патенту РФ №2436600 содержит газораспределительное устройство с термокомпенсатором, камеру анестетика с набором испарительных элементов из капилляроактивного материала, сообщенную с входом и выходом газораспределительного устройства, и термостабилизатор с жидкостью.
Термостабилизатор выполнен в виде набора баллонов с жидкостью с температурой затвердевания выше нижнего предела рабочей температуры, размещенных в камере анестетика. Испарительные элементы совмещены с баллонами, внешние стенки которых обернуты капилляроактивным материалом.
Испаритель анестетиков низкого сопротивления по патенту США №3836129 является наиболее близким по технической сущности и выбран в качестве прототипа патентуемого изобретения. Он содержит газораспределительное устройство со шкалой и термометром в виде указателя концентрации (ручной термокомпенсатор), камеру анестетика с набором испарительных элементов из капилляроактивного материала и термостабилизатор с водой или соляным раствором. Газораспределительное устройство выполнено в виде вертикально расположенного в центре камеры трубчатого золотника с конусным наконечником, взаимодействующим с конусным седлом на выходе камеры, и конфузором, взаимодействующим с конусным обтюратором сердечника. Однако вертикальное расположение золотника и отсутствие ламинарного сопротивления на входе в камеру приводит к критическому увеличению концентрации при низких газотоках из-за существенной разницы плотностей паров анестетика и газа-носителя (в 6 раз), а также неконтролируемой диффузии паров анестетика в чистый поток газа-носителя. Кроме того, относительно низкая теплоемкость воды и металлического корпуса испарительных элементов заставляет существенно увеличивать массу и габариты испарителя и ограничивает максимальную производительность по анестетику. При этом дополнительный объем камеры анестетика приводит, в свою очередь, к нестабильности дозирования при пульсации давления (эффект «back pressure») и расхода (при самостоятельном дыхании пациента при использовании открытого контура).
Настоящее изобретение решает задачу повышения стабильности дозирования анестетика и минимизации устройства при одновременном повышении производительности по анестетику, пропорциональной произведению максимальных концентрации анестетика на расход газа через испаритель.
Решение поставленной задачи достигается совокупностью новых схемотехнических и конструктивных решений, реализованных в патентуемом испарителе.
Испаритель анестетиков аналогичный конструкции по патенту США №3836129, содержащий камеру анестетика с испарительными элементами и термостабилизатором, вставленное в камеру газораспределительное устройство со шкалой концентраций в виде продольно перемещаемого трубчатого золотника с конусным наконечником, взаимодействующим с седлом на выходе камеры и обтюратором сердечника, согласно настоящему изобретению, газораспределительное устройство снабжено конусным краном на входе камеры в виде обтюратора на внешней стенке золотника и охватывающего его седла на внутренней стенке камеры, установлено горизонтально, а испарительные элементы выполнены по форме внутренних стенок камеры с образованием параллельных щелевых каналов и заполнены термостабилизирующей жидкостью, при этом конусность и длина регулируемых золотником осесимметричных каналов на входе, выходе и параллельно камере выбраны с учетом постоянного гидромеханического сопротивления испарителя на различных отметках шкалы концентраций.
Изобретением предусмотрено, что камера оснащена коробами, покрытыми внутри и снаружи капилляроактивным материалом в виде мелкоячеистой сетки или пористого металла и установленными над газораспределительным устройством, при этом входные и выходные отверстия камеры анестетика разделены перегородкой и сообщены соответственно с входами и выходами параллельных щелевых каналов.
При этом ось газораспределительного устройства расположена на одинаковом расстоянии от крышки камеры и среднего уровня анестетика.
Предусмотрено, что объемы газораспределительного устройства и камеры над жидким анестетиком соразмерны между собой, а проходное сечение щелевых каналов камеры анестетика прямо пропорционально расстоянию между входными и выходными отверстиями камеры и обратно пропорционально уровню над ее дном.
Согласно настоящему изобретению, температура затвердевания термостабилизирующей жидкости равна нижнему пределу рабочих температур испарителя, ее объем выбран исходя из производительности испарителя и времени индукции, а полые испарительные элементы оснащены изнутри теплопроводящими ребрами, при этом испарительные элементы подпружинены снизу, их днища расположены на расстоянии от дна камеры анестетика, а капилляроактивный материал примыкает к ее крышке и дну.
Испарительные элементы снабжены также вертикальными распорками, размещенными вдоль щелевых каналов с шагом, соразмерным высоте щелевых каналов, и перекрывающими их верхнюю часть.
Медико-технический результат патентуемого изобретения заключается в следующем:
- повышается стабильность дозирования в широких диапазонах концентраций анестетика (включая севофлюран до 12-15 об.%) и расходов газа (от 0,2 до 20 л/мин);
- повышается производительность по анестетикам при одновременном снижении массы (в 2-3 раза) и габаритов;
- повышается качество и безопасность анестезии благодаря стабильности дозирования;
- обеспечивается удобное размещение ингаляционной аппаратуры вблизи пациента благодаря портативности испарителя;
- обеспечивается качественная анестезия даже при отсутствии источников сжатого кислорода высокого давления за счет низкого гидравлического сопротивления испарителя при самостоятельном дыхании или искусственной вентиляции пациента.
Сущность изобретения поясняется описанием примера конструктивной реализации патентуемого испарителя и чертежами, на которых представлены горизонтальное - фиг.1 и вертикальное - фиг.2 сечения испарителя.
Испаритель анестетиков содержит камеру 1 (фиг.1, 2) анестетика с испарительными элементами и термостабилизатором, вставленное в камеру газораспределительное устройство со шкалой 2 концентраций в виде продольно перемещаемого посредством резьбовой пары 3 трубчатого золотника 4 с двусторонним конусным наконечником 5, взаимодействующим с охватывающим его конусным седлом 6 на выходе 7 камеры 1 и конусным обтюратором 8 сердечника 9.
Газораспределительное устройство снабжено конусным краном на входе 10 камеры 1 в виде обтюратора 11 на внешней стенке золотника 4 и охватывающего его седла 12 на внутренней стенке камеры 1, установлено горизонтально, при этом конусность и длина регулируемых золотником 4 осесимметричных каналов 13, 14 и 15 соответственно на входе, выходе и параллельно камере 1 (байпас) выбраны с учетом постоянного гидромеханического сопротивления испарителя на различных отметках шкалы концентраций.
Испарительные элементы выполнены по форме внутренних стенок камеры 1 в виде вертикальных цилиндров 16 с обтекаемым профилем, обтянуты снаружи капилляроактивным материалом 17 в виде мелкоячеистой сетки или пористого металла и заполнены термостабилизирующей жидкостью 18. Они оснащены изнутри теплопроводящими (медными) ребрами 19, симметрично размещены по обе стороны газораспределительного устройства с образованием параллельных щелевых каналов 20, 21 и снабжены расположенными вдоль них вертикальными распорками 22, 23, перекрывающими их верхнюю часть (на 25-30%) с шагом, соразмерным высоте этих каналов.
Камера 1 оснащена П-образным коробом 24, покрытым внутри и снаружи капилляроактивным материалом 17 и установленным над газораспределительным устройством, при этом вход 10 и выход 7 камеры 1 анестетика разделены перегородкой 25 и сообщены соответственно с входами и выходами параллельных щелевых каналов 20, 21.
Элементы газораспределительного устройства выполнены в виде тел вращения с обтекаемым профилем, его ость расположена на одинаковом расстоянии от крышки камеры и среднего уровня анестетика, при этом объемы газораспределительного устройства и камеры над жидким анестетиком соразмерны между собой.
Проходное сечение щелевых каналов 20, 21 камеры 1 анестетика прямо пропорционально расстоянию между ее входом 10 и выходом 7 и обратно пропорционально уровню над ее дном.
В качестве термостабилизирующей жидкости 18 выбран парафин, относящийся к нефтяным жидким фракциям C14-C17. Температура затвердевания (кристаллизации) такого парафина составляет 18°C, или выше нижнего предела рабочих температур испарителя. Количество (объем) жидкого парафина выбрано исходя из максимальной производительности испарителя и времени индукции анестезии (порядка 200 мл, что эквивалентно по теплосодержанию 4 л воды при изменении ее температуры на 1°C).
Испарительные элементы (цилиндры 16) подпружинены снизу и их днища расположены на расстоянии от дна камеры 1 анестетика, при этом капилляроактивный материал 17 примыкает к ее крышке и дну.
В качестве капилляроактивного материала 17 использована мелкоячеистая сетка (диаметр проволоки порядка 30-50 мкм) или тонколистовой пористый металл, плотно прилегающий (зазор не более 0,1 мм) к стенкам камеры 1, цилиндров 16 и короба 24.
Испаритель анестетиков работает следующим образом.
Газ от внешнего источника высокого (баллоны) или низкого давления (оксигенатор, аппарат ИВЛ с ручным или механическим приводом) поступает в испаритель и разделяется на две части. Первая часть газа последовательно проходит через регулируемые золотником 4 каналы 13 и 14 на входе и выходе камеры 1, внутренние стенки короба 24 и щелевые каналы 20, 21, растекаясь тонким слоем между поверхностями испарения капилляроактивного материала 17 и насыщаясь парами анестетика до равновесной концентрации (порядка 20 и 30 об.% для севофлюрана и изофлюрана соответственно), а затем разбавляется до требуемой клинической концентрации второй частью газа, которая проходит через регулируемый канал 15 байпаса между конусными обтюратором 9 и внутренней стороной наконечника 5 (конфузором).
Вертикальные распорки 22, 23 перекрывают верхнюю часть каналов 20, 21 камеры 1 испарения, принуждая более легкий (в 5-6 раз) газ-носитель совершать дополнительные вертикальные перемещения между поверхностями испарения, и, вместе с профилированием проходного сечения щелевых каналов камеры 1 анестетика по п.6 формулы изобретения и размещением капилляроактивного материала 17 у крышки камеры 1, обеспечивают его равновесное насыщение парами анестетика.
При максимальной концентрации (например, во время индукции анестезии) шкалу поворачивают против часовой стрелки, перемещая золотник 4 в крайнее левое положение, при этом наконечник 5 перекрывает канал 15, одновременно максимально открываются каналы 13 и 14 и максимальная часть газа проходит через камеру 1.
Тепло к поверхностям испарения поступает из окружающей среды через теплопроводные стенки камеры 1 и от жидкого парафина 18 цилиндров 16. При этом средняя температура в камере 1 не опускается ниже 17°C при максимальной концентрации и газотоке во время индукции анестезии, когда парафин 16 охлаждается и отвердевает, выделяя необходимое для испарения анестетика количество тепла за счет фазового перехода (>20 кал/г). При поддержании анестезии тепловая нагрузка, пропорциональная произведению концентрации на газоток, падает на порядок (примерно в 30 раз). При этом парафин 18 вновь активно расплавляется и нагревается до комнатной температуры за счет медных ребер 19, передающих тепло к низкотеплопроводным слоям застывшего парафина 18.
При нулевой концентрации обтюратор 11 и наконечник 5 закрывают соответственно вход 10 и выход 7 камеры 1 и весь поток газа проходит через байпас (канал 15). Жидкий анестетик поступает к поверхностям испарения через щелевые зазоры (порядка 50-100 мкм) между капилляроактивным материалом 17 и металлическими стенками цилиндров 16, короба 24 и камеры 1, а также по его (сетки или пористого металла) капиллярам за счет сил поверхностного натяжения анестетика.
При изменении расхода газа от 0,1 л/мин (низкопоточная анестезия детей, экзотических животных) до 20 л/мин (лошади) относительное соотношение ламинарных потоков газа через камеру 1 и байпас поддерживается неизменным за счет подобия их гидромеханических характеристик (осесимметричные каналы между элементами газораспределительного устройства, выполненными в виде тел вращения с обтекаемым профилем, а также обтекаемый профиль вертикальных цилиндров).
При этом постоянное гидромеханическое сопротивление испарителя на различных отметках шкалы концентраций обеспечивает оптимальное использование дыхательных усилий пациента, когда испаритель расположен внутри дыхательного контура (VIC). У большинства аналогов сопротивление падает при увеличении концентрации (открывается камера 1) и соответственно нарушается стабильность дозирования за счет относительно большего влияния возмущающих факторов (изменения расхода, давления и температуры) при критичных минимальных расходах газа-носителя (от 0,1 до 0,5 л/мин).
Одновременно горизонтальное расположение газораспределительного устройства на одинаковом расстоянии от крышки камеры и среднего уровня анестетика исключает негативное влияние разности плотности паров анестетика и газа-носителя (в 5-6 раз) на относительное распределение потоков между камерой 1 и байпасом.
Минимальный объем камеры 1 над жидким анестетиком, сравнимый с объемом газораспределительного устройства, исключает эффект «back pressure» на выходную концентрацию испарителя при проведении ИВЛ, а симметричное расположение испарительных элементов по форме внутренних стенок камеры 1 с образованием параллельных щелевых каналов обеспечивает равновесное насыщение парами анестетика газа-носителя при максимальной нагрузке испарителя.
С другой стороны, расположение днища цилиндров 16 на расстоянии от дна камеры 1 обеспечивает необходимую емкость испарителя по жидкому анестетику (не менее 100 мл).
Таким образом, предлагаемый испаритель обеспечивает стабильное дозирование современных анестетиков (севофлюрана, или изофлюрана, или фторотана-галотана, или энфлюрана) в широких диапазонах постоянных и пульсирующих потоков газа от 0,1 до 20 л/мин, температур от 5 до 35°C и давлений окружающей среды.
Он имеет вдвое большую производительность по анестетикам несмотря на меньшую массу (1,5 кг вместо 6-8) по сравнению с лучшими аналогами.
Испаритель экономичен и экологичен (только 5 мл жидкого анестетика остается на фитилях после слива). Его можно эффективно использовать вне (VOC) и внутри (VIC) дыхательного контура. Благодаря низкому сопротивлению (порядка 100 Па) и портативности, испаритель совместим с любыми аппаратами ИВЛ и может работать также от источников кислорода низкого давления (оксигенаторов) в стационаре (больницы и госпитали), полевых (МЧС, скорая помощь, военно-полевая хирургия) и амбулаторных условиях (стоматология, ветеринария).
Благодаря широкому диапазону рабочих концентраций и расходов газа-носителя, он найдет применение как в современной mini&low flow (низкопоточной), так и draw over (при спонтанном дыхании) анестезии для взрослых, детей и разнообразных животных.