ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ АППАРАТ ЖИДКОСТНОГО ДЫХАНИЯ В УСЛОВИЯХ ГИПЕРБАРИИ ЗАМКНУТОГО ТИПА

Полезная модель индивидуального аппарата относится к медицинской технике, в частности к аппаратам и устройствам для осуществления искусственного жидкостного дыхания, и может найти применение в исследовательских целях и в лечебной практике, например, для осуществления дыхания человека в реанимационный период.
Известен аппарат жидкостного дыхания (А.с. СССР №764677, МПК А61Н 3/02), содержащий дозировочный насос с приводом и блоком управления, поглотитель углекислоты (регенератор), оксигенатор с основным и сообщающимся с атмосферой дополнительным сильфоном, емкость для рабочей жидкости и переменный дроссель, соединенный через электромагнитные клапаны (распределители) со входом и выходом дозировочного насоса и с основным сильфоном огксигенатора, причем вход дозировочного насоса связан с присоединительным к легким элементом, отсекающим линию вдоха от линии выдоха.
Известен также аппарат жидкостного дыхания (А.с. СССР №904701, МПК А61Н 31/00), содержащий насос пульсирующего действия, обратные клапаны, оксигенатор, баллон с кислородом, дроссели, распределитель вдоха и выдоха, сливной клапан, регенератор (поглотитель углекислоты), пневмогенератор и соединительные магистрали. Перед подключением аппарата к легким их заполняют дыхательной жидкостью (ДЖ). Затем, насыщенная кислородом жидкость принудительно с определенной периодичностью закачивается в легкие биологического объекта (человека, животного и др.) и откачивается из них для удаления углекислоты, насыщения кислородом, после чего происходит повторение цикла вдоха/выдоха.
Известен аппарат жидкостного дыхания (А.с. СССР №858824, МПК А61Н 31/02), содержащий дозировочные насосы непрерывного и пульсирующего действия с приводами, гидрораспределители с электромагнитным управлением, линии вдоха и выдоха, дроссели, обратные клапаны, оксигенатор с дозатором кислорода, источник кислорода, регенератор углекислого газа и соединительные магистрали. Перед началом работы легкие биологического объекта с помощью насоса непрерывного действия заполняются дыхательной жидкостью в объеме 1,5-2,5 литра и создается давление управляющей жидкости, поступающей в сильфон насоса пульсирующего действия, нагнетающего дыхательную жидкость в оксигенатор, где она обогащается кислородом и подается в линию вдоха, а управляющая жидкость возвращается в бак. Затем цикл повторяется и после заполнения легких аппарат переводится на ритмичное дыхание с забором дыхательной жидкости из легких через линию выдоха со встроенным в нее регенератором углекислого газа.
Реализуемые с помощью данных аппаратов процессы искусственного (принудительного) жидкостного дыхания осуществимы лишь в условиях нормобарии, т.е. при нормальном атмосферном давлении, и не могут быть применены, как и сами аппараты, в условиях гипербарии для принудительного жидкостного дыхания, т.е. когда легкие биологического объекта находятся под изменяющимся высоким (гипербарическим) внешним давлением окружающей водной или газовой среды, которое, с целью предотвращения их баротравмы и повреждения (поломки) элементов аппарата, должно уравновешиваться автоматически изменяющимся давлением ДЖ в изолированных от прямого контакта с внешней средой полостях элементов аппарата и подаваемой в легкие под таким же давлением.
Приведенные аналоги выполнить это условие не могут, так как в их составе, во-первых, отсутствуют функциональные конструктивные элементы, способные реагировать на изменяющееся внешнее давление и вызывать пропорциональное изменение давления ДЖ в полостях аппаратов, уравновешивающего внешнее давление, во-вторых, полости ряда входящих в их состав функциональных элементов, таких, например, как емкости для управляющей и рабочей жидкости, оксигенаторы, пульсирующие насосы, дозаторы и др., выполнены открытыми, т.е. находящаяся в них рабочая среда взаимодействует с окружающей газовой средой в виде атмосферного воздуха под нормальным постоянным давлением, и делает аппараты не пригодными для использования в окружающей водной среде, а в-третьих, их открытое исполнение приводит к значительным потерям кислорода, находящегося в дыхательной жидкости.
В качестве прототипа выбрана полезная модель «Модуль жидкостного дыхания в условиях гипербарии для модельного биообъекта» (Патент RU №203446, МПК А61Н 31/02, А61М 16/00), содержащий насос пульсирующего действия, линии вдоха и выдоха, линию сброса избыточного давления кислорода, распределительные устройства с электромагнитным управлением, регенератор углекислого газа, оксигенатор, емкость для дыхательной жидкости с упругим дном, баллон сжатого кислорода, магистральные трубопроводы и блок управления.
Одним из недостатков модуля является наличие линии сброс избыточного давления кислорода в окружающую среду.
Поскольку подача дыхательной жидкости и кислорода для ее обогащения осуществляется с одинаковой цикличностью одним насосом пульсирующего действия, отсутствует возможность регулировать отдельно поступление кислорода в эту жидкость. Это отрицательно отражается на функциональных возможностях модуля, приводит к большим потерям кислорода, что, в свою очередь, отрицательно отражается на такой его эксплуатационной характеристике, как продолжительность работы модуля в автономном режиме без дополнительной подзарядки баллона кислородом или его замены новым заряженным баллоном.
К недостаткам модуля также следует отнести конструкцию оксигенатора с дозатором кислорода, которая не обеспечивает равномерное распределение в находящемся в полости оксигенатора объеме жидкости поступающих в нее через отверстия дозатора пузырьков кислорода, что негативно отражается на процессе растворения кислорода в обогащаемой дыхательной жидкости.
Цель предлагаемого технического решения - расширение функциональных возможностей оборудования для жидкостного дыхания путем принудительной циркуляции через дыхательные органы биообъекта попутно насыщаемой кислородом дыхательной жидкости с требуемым давлением, расходом и объемом в условиях изменяющегося гипербарического давления окружающей газовой или жидкой среды.
Достижение поставленной цели осуществляется за счет того, что в индивидуальном аппарате жидкостного дыхания в условиях гипербарии замкнутого типа, содержащем замкнутую систему циркуляции дыхательной жидкости, включающую линии вдоха и выдоха с насосами, электромагнитными клапанами и устройствами для измерения параметров жидкости и кислорода, подключенными к блоку управления, оксигенатор, дозатор кислорода, регенератор углекислого газа, баллон сжатого кислорода с регулятором давления, оксигенатор выполнен в виде цилиндрической камеры с одним входом и одним выходом для дыхательной жидкости, в полости которой соосно установлен с возможностью вращения лопастной смеситель кислорода с жидкостью, связанный через стенку камеры посредством полумуфт магнитной бесконтактной муфты с ротором размещенного снаружи электродвигателя.
В центральной части полости оксигенатора установлены по окружности сопла дозатора кислорода, соединенные посредством трубопровода со встроенными обратным клапаном и датчиком давления, двух равных по длине параллельно расположенных трубопроводов с последовательно встроенными в каждый двумя электромагнитными отсечными клапанами и трубопровода со встроенным регулятором давления с баллоном сжатого кислорода.
Дозатор кислорода выполнен в виде сферического корпуса с двумя разделенными упругой гофрированной мембраной полостями, соединенными с одним из упомянутых выше параллельно расположенных трубопроводов.
Вход в камеру оксигенатора соединен с трубопроводом линии выдоха с последовательно встроенными в него фильтром, регенератором углекислого газа, откачивающим насосом с обратным клапаном, датчиком расхода, дифференциальным датчиком давления и отсечным электромагнитным клапаном, а выход камеры оксигенатора соединен трубопроводом со входом в полость цилиндрической дыхательной камеры с датчиками температуры, давления дыхательной жидкости и кислорода, имеющей один жесткий, обращенный к электрическому термостату торец, а другой в виде упругой гофрированной мембраны.
В центре полости дыхательной камеры расположен заборник дыхательной жидкости, закрепленный на конце трубопровода линии вдоха с последовательно встроенными в него основным и вспомогательным нагнетающими насосами, датчиком расхода и дифференциальным датчиком давления жидкости, обратным клапаном и отсечным электромагнитным клапаном.
Выход трубопровода линии вдоха и вход трубопровода линии выдоха соединены между собой и с переходником эндотрахеальной трубки.
Сравнительный анализ заявленного технического решения с аналогами и прототипом показывает следующее.
Во-первых, наличие в индивидуальном аппарате замкнутой циркуляционной системы дыхательной жидкости без линии сброса избыточного кислорода и открытых полостей входящих в ее состав функциональных элементов, в частности камер, исключает потерю кислорода, используемого для обогащения (оксигенации) дыхательной жидкости.
Во-вторых, цикличность работы дозатора аппарата не зависит от цикличности работы насосов линий вдоха и выдоха, а устанавливается в зависимости от количества растворенного кислорода в находящейся в дыхательной камере жидкости, определяемого с помощью входящего в состав камеры датчика кислорода, т.е. показания датчика влияют на количество подаваемого дозатором в оксигенатор кислорода, позволяя поддерживать заданное (оптимальное) содержание кислорода в дыхательной жидкости и исключить его избыточность и необходимость сброса в окружающую среду, т.е. перерасход.
В-третьих, наличие в составе оксигенатора аппарата лопастного смесителя обеспечивает равномерное распределение в объеме находящейся в камере оксигенатора жидкости поступающего через сопла дозатора в жидкость кислорода, фрагментацию пузырьков кислорода на более мелкие по размерам, что улучшает их растворение в жидкости и повышает ее качество.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема индивидуального аппарата жидкостного дыхания в условиях гипербарии замкнутого типа.
Индивидуальный аппарат разработан на основе замкнутой системы циркуляции дыхательной жидкости, включающей линии вдоха и выдоха, связанные с оксигенатором, выполненном в виде цилиндрической камеры 1 (фиг. 1), вход в которую для дыхательной жидкости соединен с трубопроводом 2 линии выдоха с последовательно встроенными в него фильтром 3, регенератором углекислого газа 4, откачивающим насосом 5 с обратным клапаном 6, датчиком расхода 7, дифференциальным датчиком давления 8 и отсечным электромагнитным клапаном (2/2 - гидрораспределителем с электромагнитным управлением) 9.
Выход для дыхательной жидкости из камеры оксигенатора соединен трубопроводом 10 со входом в полость цилиндрической дыхательной камеры 11, снабженной датчиками температуры 12, давления дыхательной жидкости 13 и кислорода 14. Возле торца 15 камеры, выполненного жестким, расположен электрический термостат 16, другой торец камеры выполнен в виде упругой гофрированной мембраны 17, являющейся компенсатором давления.
В центре полости дыхательной камеры расположен заборник 18 дыхательной жидкости, закрепленный на конце трубопровода 19 линии вдоха с последовательно встроенными в него основным и вспомогательным нагнетающими насосами 20 и 21, соответственно, датчиком расхода 22 и дифференциальным датчиком давления жидкости 23, обратным клапаном 24 и отсечным электромагнитным клапаном 25.
В полости цилиндрической камеры оксигенатора соосно установлен с возможностью вращения лопастной смеситель кислорода с жидкостью 26, связанный через стенку камеры с размещенным снаружи камеры электродвигателем 27 посредством бесконтактной магнитной муфты, одна из полумуфт 28 которой закреплена на валу смесителя внутри камеры, а другая полумуфта 29 на конце ротора электродвигателя. В центральной части полости оксигенатора установлены по окружности сопла 30 дозатора кислорода, соединенные посредством трубопровода 31 со встроенными в него обратным клапаном 32 и датчиком давления 33, двух равных по длине параллельно расположенных трубопроводов 34 и 35 с последовательно встроенными в каждый двумя электромагнитными отсечными клапанами (2/2 - пневмораспределители с электромагнитным управлением) 36, 37 и 38, 39, трубопровода 40 со встроенным регулятором давления 41 с манометром (на фиг. не показан) с баллоном сжатого кислорода 42.
Дозатор кислорода имеет сферический корпус 43 с двумя равными по объему полостями 44 и 45, разделенными упругой гофрированной мембраной 46, соединенными трубопроводами 47 и 48 с одним из упомянутых выше параллельно расположенных трубопроводов.
Выход 49 трубопровода линии вдоха и вход 50 трубопровода линии выдоха соединены между собой и с переходником 51 эндотрахеальной (интубационной) трубки (на фиг. не показана).
Индивидуальный аппарат работает следующим образом.
Перед началом работы аппарата все полости замкнутой системы циркуляции дыхательной жидкости заполняются, например, перфторуглеродом.
Цикл работы аппарата состоит из двух фаз - фазы вдоха, продолжительностью 2...3 секунды, и фазы выдоха, продолжительностью 4... 6 секунд. Необходимое время длительности каждой из фаз устанавливается с помощью пульта блока управления (на схеме не показан).
Затем в трахею вводится эндотрахеальная трубка, установленная в переходнике 51. Отсечные клапаны 36, 37, 38 и 39 закрыты. С помощью регулятора давления 41 устанавливается давление кислорода в трубопроводе 40, превышающее на 0,2 МПа максимально допустимое давление окружающей среды (газовой или жидкой).
Фаза вдоха реализуется при закрытом отсечном клапане 9 и выключенном насосе 5 линии выдоха. Включаются насосы 20 и 21 и открывается отсечной клапан 25. Жидкость из полости дыхательной камеры 11 поступает через заборник 18 по трубопроводу 19 к его выходу 49 и далее к переходнику 51 эндотрахеальной трубки. Поскольку продолжительность фазы вдоха в два раза меньше продолжительности фазы выдоха, а производительность насосов 5, 20 и 21 одинаковая, использование в линии вдоха двух нагнетающих насосов 20 и 21 обеспечивает равенство объемов жидкости, перекачиваемой по линиям вдоха и выдоха.
Фаза выдоха реализуется при закрытом отсечном клапане 25, выключенных насосов 20 и 21. Включается насос 5, открывается отсечной клапан 9. Откачиваемая жидкость поступает через регенератор углекислого газа 4 и фильтр 3 по трубопроводу 2 в полость корпуса 1 оксигенатора, в котором происходит ее обогащение кислородом, подаваемым через сопла 30 дозатора кислорода. С помощью лопастного смесителя 26 осуществляется фрагментация (дробление) пузырьков кислорода на более мелкие по размеру и их перемешивание с целью равномерного распределения и лучшего растворения в дыхательной жидкости. Вращение лопастного смесителя осуществляется электродвигателем 27 посредством взаимодействия магнитных потоков полумуфт 28 и 29 бесконтактной магнитной муфты.
Дозирование кислородом происходит при попеременном включении попарно отсечных клапанов 37, 38 и 36, 39. Переключение клапанов осуществляется по командам из блока управления на основании выходного сигнала датчика кислорода 14. При открытии отсечных клапанов 37, 38 и закрытом состоянии отсечных клапанов 36, 39, кислород поступает по трубопроводам 34 и 47 в полость 44 корпуса 43 дозатора, вызывая прогиб мембраны 46, вытеснение кислорода из полости 45 в трубопроводы 48 и 35, и далее через открытый отсечной клапан 38 по трубопроводу 31 через сопла 30 в полость оксигенатора. Объем порции кислорода определяется объемом полостей 44 и 45 корпуса дозатора 43.
Датчик кислорода 14 определяет содержание растворенного в дыхательной жидкости кислорода и задает необходимое количество подаваемых в оксигенатор порций кислорода. Количество поданных порций кислорода определяется по числу срабатываний датчика давления 33. Обратный клапан 32 препятствует попаданию дыхательной жидкости в полости корпуса дозатора.
Обогащенная кислородом жидкость поступает из оксигенатора по трубопроводу 10 в дыхательную камеру, восполняя объем жидкости, затраченной ранее для вдоха, вызывая деформацию мембраны 17, которая одновременно является компенсатором давления, выравнивая давление жидкости в камере и давление окружающей среды, которое контролируется датчиком давления 13. Дифференциальный датчик давления 23 контролирует избыточное давление жидкости, поступающей к эндотрахеальной трубке, т.е. является датчиком безопасности, предохраняющим легкие биообъекта от баротравмы. Предохранительный клапан 24 устраняет превышение давления жидкости в линии вдоха. Датчик расхода 22 определяет необходимое количество жидкости, подаваемой на вдох. Дифференциальный датчик давления 8 контролирует уровень разрежения в линии выдоха, предохраняя легкие биообъекта от баротравмы, вызванной разрежением. Обратный клапан 6 обеспечивает возврат жидкости ко входу 50 трубопровода 2 линии выдоха, также способствуя устранению баротравмы легких от разрежения. Датчик расхода 7 определяет количество жидкости, поступающей в линию выдоха, и управляет работой насоса 5 и отсечного клапана 9.
Заданную температуру дыхательной жидкости поддерживает электрический термостат 16, управление которым осуществляется источником температуры 12.