Устройство электрохимического удаления мочевины для носимого аппарата внепочечного очищения крови
DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL REMOVAL OF UREA FOR PORTABLE APPARATUS FOR EXTRARENAL BLOOD PURIFICATION

Устройство электрохимического удаления мочевины для носимого аппарата внепочечного очищения крови
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для удаления мочевины из отработанного диализирующего раствора в составе систем внепочечного очищения крови.
Известно устройство для электрохимического разложения мочевины [1]. Корпус устройства состоит из трех герметичных отсеков. В рабочем отсеке протекает электролиз, и располагаются рабочие поверхности электродов, контактные площадки размещаются в двух контактных отсеках, в каждом из которых однополярные электроды соединяются контактными винтами, шайбами и гайками. В верхней крышке устройства установлен миниатюрный 2-пиновый разъем с защелкой, пригодный для самостоятельного подключения пользователем. Допускается произвольная ориентация устройства в пространстве. Возможно использование электродов из любых материалов. Корпус является герметичным и ударопрочным.
Недостатком устройства является отсутствие дегазации, что требует применения внешних дегазаторов для очистки раствора от газообразных продуктов электролиза
Известен электролизер для электрохимической очистки диализирующего раствора [2]. Устройство содержит корпус с размещенными в нем параллельно электродами, причем высота катодов больше высоты анодов. Электроды выполнены платиново-титановыми с двусторонним каталитическим покрытием. В нижней части корпуса имеется патрубок для входа диализирующего раствора, в верхней части корпуса выше верхнего края катодов патрубок для выхода очищенного диализирующего раствора. Выше патрубка имеется сепарационная камера для отделения газообразных продуктов реакции от диализирующего раствора и патрубок для выхода этих продуктов из корпуса.
Недостатком устройства является близкое расположение патрубков для выхода газообразной и жидкой фракции, что приводит к невозможности наклона устройства перпендикулярно плоскости электродов, так как жидкость может попасть в патрубок для газовой фракции даже при небольшом наклоне. Также близкое расположение выходного патрубка к поверхности электродов не позволяет обеспечить эффективную дегазацию, так как коалесценция мелких пузырьков газа занимает продолжительное время и пузырьки, образующиеся в верхней части электролизера, остаются растворенными в жидкости.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для электрохимической очистки диализирующего раствора в электролизере [3]. В корпусе устройства-электролизера выполнены две сообщающиеся между собой камеры, в одной из которых размещены катоды и аноды, а в другой - датчик уровня, причем нижний контакт датчика уровня установлен выше уровня выходного отверстия диализирующего раствора, а верхний - ниже уровня отверстия для выхода газов. Обе камеры сообщаются между собой двумя каналами, нижний из которых расположен ниже уровня выходного отверстия диализирующего раствора, а верхний - на уровне отверстия для выхода газов. Патрубок для выхода газов соединен с клапаном, управляемым от сигнала датчика уровня.
Недостатком устройства является нарушение нормального функционирования при наклоне в плоскости электродов, заключающегося в попадании воздуха в трубку для раствора или попадания раствора в газоотводную трубку. Даже незначительный поворот в данной плоскости изменяет ключевые особенности взаимного расположения патрубков, контактов датчика уровня и каналов между камерами, на которых основан процесс дегазации раствора. В связи с этим данное устройство не может применяться в носимых аппаратах «искусственная почка», так как поддержание постоянной ориентации устройства в пространстве возможно лишь в стационарных диализных аппаратах.
Задачами изобретения является создание устройства для электрохимического удаления мочевины из отработанного диализирующего раствора с высокой эффективностью дегазации, нормально функционирующего при углах наклона до 60°, безопасного и применимого в носимых аппаратах внепочечного очищения крови.
Техническим результатом является портативное устройство электрохимического удаления мочевины из отработанного диализирующего раствора для применения в носимой аппаратуре внепочечного очищения крови, сохраняющее нормальное функционирование при углах наклона, соответствующих повседневным наклонам тела пациента, обеспечивающее скорость удаления мочевины, превышающую ее суточную выработку, и высокую эффективность удаления газа из раствора.
Это достигается за счет того, что по сравнению с известным устройством для электрохимической очистки диализирующего раствора в электролизере, содержащим корпус, имеющий сообщающиеся камеры и снабженный патрубком для входа диализирующего раствора, патрубком для выхода очищенного диализирующего раствора и патрубком для выхода газа, расположенным в верхней части корпуса и соединенным с запорным клапаном, имеющим возможность открываться при опускании уровня диализирующего раствора ниже нижнего электрода и закрываться при подъеме уровня диализирующего раствора до верхнего электрода датчика уровня,
в заявляемом устройстве в одной из камер - рабочей - с возможностью подключения к разъемам блока управления, задающего плотность тока для электрохимического разложения мочевины, размещены аноды и катоды, в другой - камере дегазации - размещен датчик уровня, электроды которого установлены с возможностью подачи сигналов в блок управления, патрубок для выхода очищенного диализирующего раствора расположен в нижней части корпуса, патрубок для выхода газа расположен в одной с датчиком уровня камере дегазации, сообщающейся с рабочей камерой посредством трубки, камера дегазации имеет два отсека, сообщающихся по газовой и водной фазам посредством каналов, а датчик уровня имеет по пять электродов, выполненных в виде пластин, расположенных друг над другом, причем крайние электроды расположены в верхней и нижней частях камеры дегазации.
Возможность нормального функционирования при существенных углах наклона устройства достигается за счет расположения разъема для выхода газа и разъема для выхода жидкости на максимальном расстоянии друг от друга на одной вертикальной оси. Это реализовано в отдельной камере дегазации, заполненной газом не менее чем на треть, куда жидкостно-газовая смесь из рабочей камеры попадает сверху, при этом газовая фракция удаляется из верхней части камеры, а жидкостная - протекает вниз. Граница раздела сред определяется по датчику уровня, имеющему пять электродов, реализованных в виде пластин. Допустимый уровень наклона устройства, при котором сохраняется точное функционирования, в таком случае будет равен в зависимости от плоскости арктангенсу отношений расстояния между ближайшими электродами к длине и ширине электрода. Это позволяет достичь углов наклона в плоскости рабочих электродов до 60° от вертикали и в перпендикулярной вертикальной плоскости - до 32° от вертикали, что соответствует наклонам тела человека вперед и вбок соответственно, при расположении устройства параллельно спине, что позволяет использовать устройство в носимых аппаратах внепочечного очищения крови. Кроме того, благодаря наличию клапана, реагирующего на уровень жидкости, углы наклона, превышающие указанные выше, не приводят к отказу устройства, а лишь временно не позволяют удалять газ. Ни при каких углах наклона жидкость не может попасть в газовый контур, связанный с атмосферой, таким образом, обеспечивая стерильность раствора и безопасность применения устройства.
Высокая эффективность дегазации достигается за счет увеличения пути газово-жидкостной смеси в дегазаторе. В рабочей камере вся смесь поднимается вверх по межэлектродным пространствам, при этом газ за счет силы выталкивания и относительно небольшого выходного отверстия скапливается в специальной полости крышки, где происходит его коалесценция: мелкие растворенные пузырьки газа при контакте с крупными пузырями соединяются с ними, давление газа вырастает, достаточно крупные пузыри газа преодолевают поверхностное натяжение в выходном разъеме и проходят в соединительную трубку, откуда потоком жидкости и давлением газа в трубке переносятся в камеру дегазации. За счет того, что камера дегазации примерно на треть заполнена газом, крупные пузыри не смешиваются с жидкостной фазой, падающей в нижнюю часть камеры, и повышают общее давление газа в камере. Через верхний проток перегородки газовая фаза входного отсека сообщается с газовой фазой выходного отсека. При нормальном или низком уровне жидкости, регистрируемом датчиком уровня, запорный клапан, к которому подсоединен выходной газовый разъем камеры дегазации, открыт, что позволяет удалять излишки газа. Кроме того, растворенные пузырьки газа, не успевшие отделиться от жидкостно-газовой смеси, при попадании в камеру дегазации имеют достаточно длительное время на подъем и коалесценцию за счет того, что жидкость сливается из камеры дегазации вниз.
Датчик уровня содержит пять электродов, два из которых располагаются на небольшом расстоянии сверху и снизу от нормального уровня жидкости, что соответствует примерно 65% высоты внутренней части камеры дегазации. Нижняя секция электродов располагается в нижней части камеры и содержит два электрода, один из которых - опорный, располагаемый снизу. Верхняя секция состоит из одного электродов и располагается в верхней части камеры дегазации. Такое количество электродов необходимо для увеличения точности определения уровня жидкости для наиболее точной регулировки уровня жидкости в камере дегазации путем управления давлением на входе устройства.
Устройство является достаточно компактным для применения в составе носимых аппаратов для внепочечного очищения крови. Устройство пригодно для постоянного использования пациентом в бытовых условиях без ограничения на подвижность.
На фиг. 1 изображен изометрический вид устройства в сборе, где 1 - корпус, 2 - крышка, 5 - ограничитель электродов датчика уровня, 7 - соединительная трубка, 10 - входной разъем рабочей камеры, 20 - выходной жидкостный разъем камеры дегазации, 27 - выходной разъем рабочей камеры, 28 - входной разъем камеры дегазации, 29 - выходной газовый разъем камеры дегазации, 30 - запорный клапан, 31 - пазы для крепления устройства.
На фиг. 3 изображен изометрический вид собранного корпуса устройства, где 3 - рабочие электроды, 4 - перегородка камеры дегазации, 6 - электроды датчика уровня, 8 - рабочая камера, 14 - входной отсек камеры дегазации, 15 - выходной отсек камеры дегазации, 21 - отверстия для электродов датчика уровня, 23 - паз для крепления крышки.
На фиг. 3 изображен вид корпуса сверху, 9 - камера дегазации, 11 - ребра для крепления и взаимной изоляции рабочих электродов, 16 - пазы для крепления перегородки камеры дегазации.
На фиг. 4 изображен изометрический вид крышки, где 24 - ребро для крепления к корпусу, 25 - отверстия для контактных площадок рабочих электродов, 26 - полость для скопления газа.
На фиг. 5 изображен вид крышки сверху.
На фиг. 6 изображен главный вид рабочего электрода, где 12 - контактная площадка, 13 - рабочая поверхность.
На фиг. 7 изображен вид перегородки отсека дегазации слева, где 17 - пазы для фиксации электродов датчика уровня.
На фиг. 8 изображен главный вид перегородки отсека дегазации, где 18 - верхний проток, 19 - нижний проток.
На фиг. 9 изображен изометрический вид ограничителя электродов датчика уровня, где 22 - ребро для приклеивания к корпусу.
Устройство состоит из семи частей: корпуса (1), крышки (2), рабочих электродов (3), перегородки камеры дегазации (4), ограничителя электродов датчика уровня (5), электродов датчика уровня (6), соединительной трубки (7). Корпус (1) в свою очередь состоит из двух камер: рабочей камеры (8) и камеры дегазации (9). На дне рабочей камеры (8) имеется проток для входа диализирующего раствора, с внешней стороны корпуса реализованный входным разъемом (10) типа «Луер» с ограничительным бортом. Дно рабочей камеры (8) имеет форму усеченной пирамиды для распределения раствора по межэлектродным пространствам. Боковая поверхность рабочей камеры (8) имеет систему ребер (11) для размещения рабочих электродов (3), обеспечивающую фиксированное межэлектродное расстояние и исключающее замыкания рабочих электродов (3). Электроды (3) ориентируются контактными площадками (12) наружу, таким образом, чтобы контактные площадки (12) поочередно располагались у противоположных стенок корпуса (1), при этом рабочие поверхности электродов (13) оказываются расположены внутри корпуса (1).
Камера дегазации (9) состоит из входного отсека (14) и выходного отсека (15), разделенных перегородкой (4). Перегородка (4) устанавливается в пазы (16), имеет пазы (17) для фиксации электродов датчика уровня (6), верхний (18) и нижний (19) протоки, соединяющие входной (14) и выходной (15) отсеки. Входной отсек (14) служит для отстаивания раствора с сепарацией газовой фазы в камере дегазации (9) и не имеет дополнительных элементов. Выходной отсек (15) служит для разделения выходных газового и жидкостного потоков, а также размещения датчика уровня. На дне выходного отсека (15) реализован выходной разъем (20) типа «Луер» с ограничительным бортом для выведения жидкой фазы. Боковая стенка имеет прямоугольные отверстия (21) для размещения электродов датчика уровня (6). Для защиты повреждения электродов (6) к стенке камеры дегазации приклеивается ограничитель (5). Ограничитель (5) реализован Г-образной пластиной с ребром (22) для приклеивания.
Верхний торец корпуса (1) имеет контурный паз (23) для герметизации соединения с крышкой (2). Нижний торец крышки (2) имеет комплементарное пазу (23) ребро (24), прямоугольные отверстия (25) для контактных площадок (12) рабочих электродов, полость (26) для коалесценции пузырьков газа, образующихся при электролизе, выходной разъем рабочей камеры (27), входной разъем камеры дегазации (28) и выходной разъем для выведения газовой фазы (29). Все разъемы реализованы типа «Луер» с ограничительным бортом. Выходной разъем рабочей камеры (27) соединяется с входным разъемом камеры дегазации (28) соединительной трубкой (7). Разъем (29) через трубку для отведения газа подключается к запорному клапану (30). На корпусе имеются два параллельных продольных паза (31), позволяющих жестко устанавливать устройство в корпусе аппарата «искусственная почка».
Устройство работает следующим образом. Через трубку подключенному к входному разъему рабочей камеры отработанный диализирующий раствор поступает в рабочую камеру, распределяясь по межэлектродным пространствам поднимается вверх между электродами. Аноды, ориентированные контактными площадками в одну сторону, и катоды, ориентированные контактными площадками в другую сторону, подключаются к соответствующим разъемам блока управления, задающего на них необходимую плотность тока, в результате через при протекании раствора между электродами происходит электрохимическое разложение мочевины. При этом образуются микропузырьки газа, которые поднимаются вверх и скапливается в полости крышки, где происходит их коалесценция. Далее жидкостно-газовая смесь через соединительную трубку проходит во входной отсек камеры дегазации, где под действием гравитации жидкость падает в нижнюю часть. В камере дегазации поддерживается постоянный уровень жидкости, соответствующий заполнению чуть более половины камеры. За счет этого пузырьки воздуха, не успевшие отделиться от жидкости в процессе ее падения в камеру успевают под действием выталкивающей силы переместиться в верхнюю часть камеры. Благодаря протокам в перегородке, входной и выходной отсек камеры дегазации являются сообщающимися сосудами как по жидкостной, так и по газовой фазе. Таким образом, уровень жидкости, контролируемый датчиком уровня, поддерживается в обоих отсеках.
Жидкость из нижней части выходного отсека через разъем выходит из устройства. Газовая фракция из верхней части выходного отсека через разъем попадает в трубку, которая в свою очередь соединена с запорным клапаном, находящимся в открытом состоянии, что позволяет отводить образующийся газ. Датчик уровня включает пять электродов, разделенных на три секции, причем средняя секция содержит два электрода, между которыми должна располагаться жидкость. При достижении уровнем жидкости нижнего или верхнего электрода из средней секции подается сигнал в блок управления аппаратом очищения крови о необходимости регулировки давления на входе устройства. При достижении уровнем жидкости верхней секции электродов датчика уровня происходит закрытие запорного клапана газоотводной трубки до возвращения жидкости на нормальный уровень. Нижняя секция электродов содержит два электродов, нижний из которых является опорным. При достижении уровнем жидкости нижней секции электродов, подается сигнал о необходимости увеличения объема жидкости в контуре.
Пример конкретного исполнения устройства.
2
Корпус устройства изготавливается из медицинского пластика, размеры рабочей поверхности электрода составляют 100×50×2 мм, внутри корпуса располагаются 12 электродов. Эффективная площадь электролиза при этом составляет 480 см. Электроды датчика уровня выполнены графитовыми, имеют габариты 25×5×2 мм. Габариты устройства составляют 165×99×69 мм. Масса устройства составляет 480 г. Одно устройство позволяет удалять из диализирующего раствора со скоростью 1,1 г/ч, что соответствует среднесуточной выработке мочевины в организме человека.
Устройство обеспечивает нормальный режим функционирования при наклоне до 60° от вертикали и в перпендикулярной вертикальной плоскости - до 32° от вертикали, что соответствует наклонам тела человека вперед и вбок соответственно, при расположении устройства параллельно спине. Таким образом, устройство пригодно для использования в носимых аппаратах внепочечного очищения крови. При превышении данных углов устройство не повреждается и возвращается к нормальному функционированию сразу после возвращения в рабочее положение.
Источники информации
1. Патент РФ №2593896.
2. Авторское свидетельство СССР №1823191.
3. Патент РФ №2310477.