Небулайзер с подогревом аэрозоля и способ подогрева аэрозоля в распылительной камере небулайзера
NEBULIZER WITH AEROSOL HEATING AND METHOD OF HEATING AEROSOL IN NEBULIZER SPRAY CHAMBER

Изобретение относится к области медицинской техники и предназначено для использования в области аэрозольтерапии.
Наиболее распространенным типом медицинских ингаляторов, предназначенных для аэрозольтерапии, являются компрессорные ингаляторы, которые состоят из компрессора и небулайзера (распылительной камеры).
Компрессор используют для сжатия газа, а в небулайзер заливают лекарственный раствор, предназначенный для преобразования его в аэрозоль. Для создания аэрозоля сжатый газ поступает от компрессора в распылительную камеру, состоящую из закрытого стаканчика, штуцера с соплом, колпачка, отражателя и загубника. Сжатый газ (чаще всего воздух), под давлением поступающий в штуцер, выходит в сопло штуцера. В результате на выходе сопла скорость истечения воздуха резко возрастает, что приводит к локальному падению давления воздуха. Под воздействием разрежения жидкий лекарственный раствор по узким подводящим каналам, образующимся между наружной поверхностью штуцера и колпачком, надетым на штуцер, поступает к выходу сопла, где смешивается с воздушным потоком и распадается на отдельные частицы. На выходе устанавливают отражатель, который может быть частью колпачка; назначение отражателя - разбивать крупные частицы на более мелкие, которые с потоком воздуха в виде аэрозоля через загубник подают к пациенту.
Основным недостатком компрессорных ингаляторов является то, что в процессе создания аэрозоля происходит его охлаждение и снижение температуры по сравнению с температурой окружающей среды за счет дроссельного эффекта Джоуля-Томсона. Указанное снижение температуры аэрозоля достигает величины 7÷10°C относительно температуры помещения, где проводится процедура, что приводит к нежелательным последствиям для пациентов, т.к. ингаляционная процедура с охлажденным аэрозолем является некомфортной и вызывает кашель пациента. В результате точное дозирование лекарственного препарата, поступающего к пациенту, становится невозможным. Подогрев аэрозоля повышает комфортность проведения процедуры и принципиально необходим для пациентов с выраженной бронхоидальной анафилаксией (повышенной
чувствительностью к Холодовым раздражителям).
Известны способы и устройства, предназначенные для подогрева лекарственного аэрозоля в компрессорных ингаляторах (Осипов Л.В. «Индивидуальные ультразвуковые и компрессорные ингаляторы», М., ИзоМед, 2003 г., стр. 32-33, а также Осипов Л.В. и др.«Применение ультразвуковых и компрессорных ингаляторов (небулайзеров) для лечения заболеваний дыхательных путей и легких».Практические рекомендации для пользователей, Москва, ИзоМед, 2014 г., стр. 38-43666).
В способе, применяемом в компрессорных ингаляторах «Пари терм» (PariGmbH, SpezialistenfureffectiveInhalationO41DO110 2/99), подогрев аэрозоля осуществляют с помощью нагревательного элемента с гофрированной поверхностью, который помещают на выходе распылительной камеры и подсоединяют к питающему напряжению с помощью кабеля, выходящего через верх распылительной камеры рядом с загубником.
Недостатками известного способа подогрева аэрозоля являются следующие:
1. Наличие кабеля питания нагревательного элемента возле загубника, вставляемого в рот пациента. Это требует принятия специальных мер обеспечения электробезопасности и доставляет неудобство при проведении процедуры ингаляции.
2. Отсутствие возможности стерилизации или полноценной дезинфекции нагревательного элемента, который находится на выходе распылительной камеры и на котором могут осаждаться инфицированные продукты выдоха пациента.
3. Необходимость в достаточно продолжительном времени выхода на установившийся температурный режим, т.к. нагрев осуществляется через газовую среду, плохо проводящую тепло.
4. Уменьшение точности дозирования лекарственного препарата, поступающего в виде аэрозоля к пациенту, вследствие неконтролируемого осаждения капель лекарственного раствора на поверхности нагревательного элемента в процессе прохождения мимо него аэрозоля.
Известен (RU, патент 2642778, опубл. 27.02.2015) небулайзер, содержащий насадку для распыления жидкости, воздушный канал, в который выбрасывается распыленная жидкость и который выполнен с возможностью направления потока, создаваемого вдыхаемым и выдыхаемым воздухом от пользователя, причем распылительное средство содержит камеру для лекарственного средства, источник вибрации, выполненный с возможностью передачи вибраций в жидкость, и сетку, причем воздушный канал выполнен с возможностью направления потока вдоль сетки, насадка дополнительно содержит сенсорное средство, выполненное с возможностью обнаружения потока, при этом все компоненты небулайзера, которые контактируют с жидкостью и вдыхаемым и выдыхаемым воздухом от пользователя, расположены в насадке небулайзера, небулайзер дополнительно содержит средство управления, причем средство управления содержит схемы возбуждения для управления источником вибрации. Сенсорное средство может дополнительно содержать термодатчик потока, выполненный с возможностью обнаружения потока на основании измерения температуры. Термодатчик потока может содержать электрически управляемый термоэлемент на передней стороне термодатчика потока, при этом передняя сторона обращена к внутренней области воздушного канала. Термодатчик потока может дополнительно содержать электрически управляемый термоэлемент на передней стороне и, по меньшей мере, одну контактную площадку на его обратной стороне, причем, одна контактная площадка электрически соединена с термоэлементом. Термоэлемент может содержать нагревательный элемент и, по меньшей мере, два температурно-чувствительных элемента.
Указанный небулайзер не является компрессорным и конструктивно принципиально отличается использованием вибратора и сетки с отверстиями диаметром несколько микрон. Недостатком этого небулайзера следует признать сложность его конструкции и связанную с принципом построения повышенную сложность и специфичность предлагаемого в нем способа подогрева аэрозоля, который не может быть использован в компрессорных небулайзерах.
Известен (RU, патент 164003, опубл. 20.08.2016) компрессорный ингалятор, содержащий корпус распылительной камеры, металлический и подогреваемый штуцер с узким соплом в верхней части и нагревателем, размещенным на теле штуцера, колпачок, надетый на штуцер, с отражателем возле выхода сопла, загубник и гибкий шланг, подключенный к компрессору и к входу в штуцер, причем нагреватель представляет собой медные пластины, наклеенные через керамико-полимерный теплопроводящий диэлектрический материал на теплопроводящую катушку, надетую на штуцер, и подключенные к источнику электрического питания.
Указанный прибор имеет существенные недостатки:
- в силу большой удельной теплоемкости металлического штуцера и металлической катушки нагревателя время нагрева лекарственного раствора в распылительной камере небулайзере составляет не менее 3-5 минут, что затягивает время перед проведением процедуры.
- термочувствительный элемент измеряет температуру нагревателя, которая может заметно отличаться от температуры лекарственного раствора, вследствие чего не может быть обеспечено достаточно точное поддержание требуемого уровня температуры лекарственного раствора. Последнее обстоятельство может приводить к перегреву раствора и превышению температурного порога 42°C-43°C, что недопустимо при использовании лекарственных растворов биологического происхождения.
Этот источник информации использован в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, на решение которой направлено разработанное средство, состоит в расширении области применения и повышении эффективности небулайзерной аэрозольтерапии.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения состоит в существенном уменьшении времени нагрева лекарственного раствора перед началом процедуры и сокращении времени выхода на режим подачи нагретого аэрозоля, повышении точности поддержания требуемого уровня температуры лекарственного раствора и аэрозоля и снижении риска перегрева лекарственного раствора дозирования лекарственного препарата.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать небулайзер с подогревом аэрозоля разработанной конструкции. Он содержит корпус распылительной камеры, в верхней части которой установлен штуцер с узким выходным отверстием в форме сопла, над которым установлен колпачок с широким основанием в нижней части, распылительная камера закрыта съемной крышкой с отражателем, выполненным с возможностью крепления возле выхода сопла сменного сепаратора, гибкую трубку подачи сжатого газа, соединенную с указанным штуцером, электрический нагреватель, представляющий собой тонкую пластину с малой теплоемкостью, выполненную из материала с хорошей теплопроводностью, расположенную на дне верхней части распылительной камеры, к тыльной стороне пластины прикреплен нагревательный элемент с площадью поверхности и формой, практически совпадающими с поверхностью и формой тонкой пластины, термочувствительный элемент, расположенный на тыльной стороне тонкой пластины, загубник, вставленный в крышку, основание, на котором расположен корпус камеры, световой индикатор и плату с электрической схемой управления нагревом, расположенную ниже нагревателя.
Предпочтительно нижняя часть колпачка выполнена с диаметром, несколько меньшим, чем диаметр дна камеры, по форме повторяющая форму тонкой пластины, и содержащая радиальные выступы, с использованием которых обеспечена необходимая величина зазора для предварительного нагрева и подачи лекарственного раствора в каналы между штуцером и колпачком.
Места крепления тонкой пластины к дну верхней части распылительной камеры обычно выполнены герметичными, как и места ввода в нижнюю часть корпуса гибкой трубки, провода питания нагревателя и схемы управления нагревом, а также соединение основания с нижней частью камеры.
Область камеры между тыльной стороной нагревателя и расположенной ниже платой схемы управления нагревом преимущественно заполнена материалом с высокими теплоизоляционными свойствами
Также для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ подогрева аэрозоля в распылительной камере небулайзера, обеспечивающий комфортность процедуры ингаляции и точное дозирование лекарственного препарата, поступающего к пациенту в виде аэрозоля. Способ включает подачу сжатого газа через гибкую трубку в штуцер распылительной камеры и создание разрежения на выходе сопла штуцера для поступления к соплу штуцера под действием разрежения лекарственного раствора, залитого в распылительную камеру, по узким каналам между поверхностью штуцера и надетым на него колпачком с отверстием, соосным с соплом, смешивание лекарственного раствора с исходящим потоком газа для превращения лекарственного раствора в струю аэрозоля, которую направляют на отражатель и затем, через загубник или маску на выходе распылительной камеры, - к пациенту, отличающийся тем, что нагревают тонкий слой лекарственного раствора при прохождении его между поверхностью широкой нижней части колпачка и пластиной с высокой теплопроводностью на дне распылительной камеры с использованием электрического нагревателя, располагаемого на тыльной стороне пластины, при этом область камеры между тыльной стороной нагревателя и расположенной ниже платой со схемой управления нагревом заполняют материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.
С целью устранения риска перегрева лекарственного раствора при повышении температуры нагревателя выше определенного уровня подогрев прекращают до тех пор, пока температура не достигнет установленного уровня за счет остывания нагревателя.
С целью обеспечения возможности дезинфекции распылительной камеры дезинфекционным раствором, используют распылительную камеру с разборной верхней частью, а места крепления тонкой пластины к дну верхней части распылительной камеры места ввода в нижнюю часть корпуса гибкой трубки, провода питания нагревателя и схемы управления нагревом, и кроме того, соединение основания с нижней частью камеры - герметичными.
Предпочтительно материалы, из которых изготавливают детали распылительной камеры, контактирующие с лекарственным раствором и аэрозолем, выбирают из числа разрешенных к применению для работы с лекарственными средами.
Обычно материал верхней части распылительной камеры выбирают прозрачным для контроля уровня и объема заливаемого лекарственного раствора.
Преимущественно для изменения диапазона размеров частиц аэрозоля применяют сменные насадки - сепараторы, которые устанавливают над штуцером.
Обычно для информирования пользователя о достижения необходимой температуры нагрева лекарственного раствора и возможности начала процедуры ингаляции путем включения подачи сжатого газа, на боковой стороне нижней части корпуса распылительной камеры устанавливают световой индикатор, который соединяют со схемой управления нагревом.
Объем и, следовательно, площади поверхности внутри верхней части распылительной камеры преимущественно используют минимальными для уменьшения тепловых потерь с целью сокращения времени выхода на установившийся режим нагрева и уменьшения остаточного количества лекарственного препарата, оседающего на стенках камеры в процессе процедуры.
В качестве нагревательных элементов по возможности используют позисторные элементы.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в небулайзере распылительной камере компрессорного ингалятора, включающем подачу сжатого газа через воздуховодную трубку в штуцер корпуса распылительной камеры и создание разрежения на выходе узкого отверстия (сопла) штуцера для поступления под действием разрежения лекарственного раствора, залитого в распылительную камеру, по каналам между штуцером и надетым на него колпачком с отверстием, таким же, как сопло, на выходе сопла штуцера в результате смешивания с исходящим потоком газа лекарственный раствор превращают в струю аэрозоля, которую направляют на отражатель для получения мелкодисперсного аэрозоля, который после этого через загубник (или маску), соединенный с крышкой камеры поступает к пациенту, при этом согласно настоящему изобретению лекарственный раствор подогревают с помощью электрического нагревателя, располагаемого на дне верхней части распылительной камеры, предназначенной для заливки в нее лекарственного раствора, и представляющего собой тонкую пластину с малой теплоемкостью из материала с хорошей теплопроводностью, к тыльной стороне которого прикрепляют нагревательный элемент с площадью поверхности и формой, практически совпадающими с поверхностью и формой тонкой пластины, которую выбирают плоской, конической или сферической, при этом нижнюю часть штуцера делают широкой с диаметром, несколько меньшим, чем диаметр дна камеры, и также повторяющей форму тонкой пластины, и имеющую радиальные выступы, с помощью которых обеспечивают необходимую величину зазора для подачи лекарственного раствора в каналы между штуцером и колпачком.
Изобретение предусматривает, что на тыльной стороне тонкой пластины устанавливают подключенные к схеме управления нагревом термочувствительные элементы, которые при достижении температуры нагревателя выше определенного уровня прекращают нагрев для предотвращения перегрева лекарственного раствора, и включают нагрев, когда температура достигнет установленного уровня при остывании нагревателя.
В качестве нагревательных элементов возможно применение позисторных элементов, сопротивление которых увеличивается, что стабилизирует температуру нагрева и защищает раствор от перегрева.
Плату со схемой управления нагревом располагают на некотором расстоянии ниже нагревателя, а для уменьшения тепловых потерь при нагреве область камеры между тыльной стороной нагревателя и расположенной ниже платой заполняют материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.
Дополнительно изобретение предусматривает, что места крепления тонкой пластины к дну верхней части распылительной камеры делают герметичными, также делают герметичными места ввода в нижнюю часть корпуса гибкого шланга и провода питания нагревателя и схемы управления нагревом, и кроме того, соединение основания с нижней частью камеры, для обеспечения возможности дезинфекции распылительной камеры, а также колпачка, крышки и загубника дезинфекционным раствором.
Объем и, следовательно, площади поверхности внутри верхней части распылительной камеры делаются минимальными для уменьшения тепловых потерь с целью сокращения времени выхода на установившийся режим нагрева и уменьшения остаточного количества лекарственного препарата, оседающего на стенках камеры в процессе процедуры.
Материалы, из которых изготавливают детали распылительной камеры, контактирующие с лекарственным раствором и аэрозолем, выбирают из числа разрешенных к применению для работы с лекарственными средами.
Материал верхней части камеры выбирают прозрачным для контроля уровня и объема заливаемого лекарственного раствора.
Для изменения диапазона размеров частиц аэрозоля применяют сменные насадки - сепараторы, которые устанавливают над штуцером.
Для информирования пользователя о достижения необходимой температуры нагрева лекарственного раствора и возможности начала процедуры ингаляции, для чего включают подачу сжатого газа, на боковой стороне нижней части корпуса распылительной камеры устанавливают световой индикатор, который соединяют со схемой управления нагревом.
Это позволяет:
- повысить удобство пользования ингалятором и обеспечить необходимый уровень требований электробезопасности за счет расположения электронагревателя и кабеля питания внизу распылительной камеры и герметизации той части корпуса, в которой находятся элементы, к которым подводится электрическое напряжение;
- уменьшить время выхода на режим, обеспечивающий повышенную температуру аэрозоля за счет быстрого нагрева тонкого слоя лекарственного раствора в узких каналах между нагретой поверхностью пластины на дне верхней части камеры и нижней поверхностью колпачка;
- обеспечить возможность стерилизации или дезинфекции распылительной камеры после прекращения процедуры аэрозольтерапии за счет того, что верхняя часть распылительной камеры делается разборной;
- увеличить точность дозирования лекарственного препарата, поступающего в виде лекарственного препарата к пациенту как благодаря нагреву аэрозоля, так и вследствие малой площади поверхностей внутри верхней части распылительной камеры, на которых может осаждаться неконтролируемое количество частиц аэрозоля;
- исключить опасность перегрева лекарственного раствора и превышение определенного температурного порога, недопустимое при использовании лекарственных растворов биологического происхождения;
- изменять диапазон размеров частиц аэрозоля в зависимости от того, в какие отделы дыхательных путей должны в основном поступать частицы лекарственного раствора.
Сущность настоящего изобретения поясняется примером реализации патентуемого способа нагрева аэрозоля и чертежами, на которых представлены:
Фиг. 1 - чертеж варианта исполнения распылительной камеры небулайзера с нагревом аэрозоля, реализующего предлагаемый способ;
Фиг. 2 - фотография экспериментального образца устройства, изображенного на Фиг. 1
Фиг. 3 и фиг. 4 - графики изменения температуры аэрозоля в зависимости от времени для экспериментального образца, показанного на Фиг. 1 и Фиг. 2 (получены в результате технических испытаний).
Способ нагрева осуществляют с помощью распылительной камеры небулайзера (Фиг. 1), состоящего из корпуса распылительной камеры 1, штуцера 7 с узким выходным отверстием в форме сопла, над которым установлен колпачок 8 с широким основанием в нижней части 8, съемной крышки 10 с отражателем, на который крепится сменный сепаратор 9 возле выхода сопла, провода питания 2, трубки воздуховодной 3 для подачи сжатого газа, платы 4 с электрической схемой управления нагревом, нагревателя 5 с теплоизоляцией на тыльной стороне, тонкой пластины 6 с хорошей теплопроводностью, термочувствительного элемента 12, загубника 11, светового индикатора 13 и основания 14.
Разработанный способ нагрева аэрозоля с использованием разработанного устройства реализуют следующим образом.
В верхнюю часть распылительной камеры 1 небулайзера при снятой крышке 10 заливают необходимое количество лекарственного раствора, после чего закрывают крышку с вставленным в нее загубником 11, трубку воздуховодную 3 подсоединяют к компрессору и подают электрическое напряжение на провод 2 питания схемы, после появления сигнала индикатора о достижении необходимого уровня нагрева лекарственного раствора, включают компрессор. В качестве компрессора может быть использован блок компрессора любого серийно выпускаемого компрессорного ингалятора, например, аппарата «Elisir», производимый фирмой FlaemNuova (Италия).
В процессе функционирования распылительной камеры тонкий слой лекарственного раствора между пластиной 6 и нижней поверхностью колпачка 7 быстро нагревается. После включения компрессора нагретый раствор под действием разрежения поступает снизу к верхней части штуцера 7 по узким каналам, образующимся между наружной поверхностью штуцера 7 и внутренней поверхностью колпачка 8, надетого на штуцер. При образовании аэрозоля происходит его охлаждение по сравнению с температурой подаваемого лекарственного раствора, однако вследствие того, что раствор был предварительно нагрет, на выходе загубника 11, соединенного с крышкой 10, температура аэрозоля будет выше температуры окружающей среды. Так, при температуре нагрева слоя лекарственного раствора, достигающей 40-41°С, температура аэрозоля на выходе загубника 11 составляет 30-35°С, что обеспечивает комфортное вдыхание аэрозоля пациентом.
Изобретение предусматривает, что при повышении температуры нагрева лекарственного раствора выше определенной величины, нагреватель отключают от питающего напряжения. Это достигается тем, что при повышении температуры выше указанной величины по сигналу от термочувствительного элемента 12 срабатывает схема отключения питающего напряжения, в результате чего нагрев прекращается, и температура нагревателя уменьшается за счет естественного процесса остывания. Необходимость в отключении питающего напряжения возникает в случае, когда в распылительной камере заканчивается лекарственный раствор, а также в случае, когда пользователь включает компрессорный ингалятор, забыв предварительно налить лекарственный раствор в распылительную камеру 1.
Были изготовлены экспериментальные образцы устройства, реализующего предлагаемый способ нагрева и изображенного на Фиг. 1.
На Фиг. 2 показана фотография экспериментального образца устройства, чертеж которого дан на Фиг. 1.
На Фиг. 3 и фиг. 4 приведены графики изменения температуры нагревателя в распылительной камере в зависимости от времени после включения нагрева и после включения компрессора, а также температуры аэрозоля на выходе загубника после включения компрессора. Графики получены в процессе технических испытаний экспериментального образца устройства, показанного на Фиг. 2. Видно, что обеспечивается высокая скорость нагрева и короткое время выхода на установившийся режим (порядка 1 мин.) и автоматическое отключение нагрева после того, как в распылительной камере закончился лекарственный раствор и возникла угроза перегрева узла нагревателя. На фиг. 3 показана начальная стадия испытаний, при этом пунктирная линия показывает изменение температуры нагревателя, а сплошная линия - изменение температуры аэрозоля. На фиг. 4 приведена заключительная часть испытаний, при этом пунктирная линия показывает изменение температуры нагревателя, а сплошная линия - изменение температуры аэрозоля. Давление сжатого воздуха на входе небулайзера при испытаниях составляло 0,94 атм.