УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ КРОВИ И ЕЕ КОМПОНЕНТОВ
DEVICE FOR SEALING POLYMER CONTAINERS FOR STORAGE OF BLOOD AND COMPONENTS THEREOF

Изобретение относится к области медицинской техники и может использоваться на станциях переливания крови, в отделениях переливания крови, в хирургических и реанимационных отделениях больниц и клиник, а также в научно-исследовательских медицинских учреждениях.
Одноразовые полимерные контейнеры широко используются в медицине для хранения различных биологических материалов (кровь и ее компоненты), а также инфузионных растворов. Герметизация полимерных контейнеров с биологическими материалами и инфузионными растворами осуществляется путем запайки полимерной трубки контейнера методом высокочастотной сварки. Преимущества этого метода герметизации:
- воздействие на материал магистральной трубки полимерного контейнера высокочастотного электромагнитного поля приводит к разогреву и сплавлению полимерного материала без нагрева крови и, соответственно, без изменения ее состава;
- формирование сварного шва трубки производится в условиях компрессии материала трубки с помощью специальных электродов, при этом кровь выдавливается из зоны сварки, что гарантирует стерильность и герметичность шва, отсутствие контакта персонала с кровью при разделении контейнеров системы или при подготовке проб крови к исследованиям;
- запаивание трубок контейнеров методом сварки в высокочастотном электромагнитном поле обеспечивает высокую однородность полимерного материала в зоне шва и тем самым позволяет сохранить герметичность контейнеров при резком перепаде температур при проведении быстрого замораживания компонентов крови.
Известны устройства для нагрева и сварки полимерных материалов током высокой частоты, содержащие высокочастотный генератор и сварочные электроды в виде металлических прессовых контактных плит или металлических роликов (см. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. М.: «Высшая школа», 1991, с. 197-205). Например, в сварочной машине марки ЛГС-0,2 свариваемые материалы - пленки или ленты из поливинилхлорида прокатываются между двумя вращающимися роликами - электродами, к которым подведен ток высокой частоты от высокочастотного генератора. Высокочастотный генератор обеспечивает одновременный и равномерный нагрев свариваемых материалов по всей толщине и с высокой скоростью.
Недостатком этих устройств является узкая область их применения, что ограничивает их использование для решения только одной конкретной задачи.
Известно устройство для запайки трубок из поливинилхлорида Biosealer 800 фирмы Ljungberg & Kögel АВ (см. Техническое описание и инструкцию по эксплуатации устройства для запайки трубок из полихлорвинила Biosealer 800 фирмы Ljungberg & Kögel АВ (Швеция), 1991 г.). Известное устройство содержит блок питания, высокочастотный задающий генератор, широкополосный усилитель мощности, электромагнит с подвижным сердечником, подвижный и неподвижный электроды, а также узел запуска и реле времени. Высокочастотный генератор, усилитель и электромагнит подключены к блоку питания через сетевой выключатель, а выход усилителя мощности соединен со сварочными электродами через коаксиальный кабель. Подвижный сердечник электромагнита механически связан с подвижным сварочным электродом. Узел запуска обеспечивает включение задающего генератора, широкополосного усилителя и электромагнита в начале процесса сварки, а реле времени - их отключение после истечения выдержки времени и окончания процесса сварки.
Недостатком данного устройства является его относительная сложность а также недостаточная прочность и долговечность сварного шва.
Известно устройство для герметизации полимерных контейнеров (см. Полезная модель. RU 16579, U1, кл. H05В 3/00, 10.01.2001). Устройство для герметизации полимерных контейнеров содержит источник электропитания, связанный через блок коммутации с электромагнитом с подвижным сердечником, механически связанным с подвижным сварочным электродом, и через высокочастотный генератор с подвижным сварочным электродом, неподвижный сварочный электрод и узел запуска.
Блок коммутации выполнен в виде двух реле времени. Выдержка времени второго реле больше, чем выдержка времени первого реле. Необходимая выдержка времени для первого и второго реле времени устанавливается в зависимости от типа материала и толщины запаиваемых трубок. После включения устройства и подачи соответствующей команды с выхода узла запуска на управляющие входы первого и второго реле времени включаются высокочастотный генератор и электромагнит и начинается процесс запаивания трубки. По истечении выдержки времени первого реле высокочастотный генератор отключается и мощность на подвижный сварочный электрод не подается. При этом второе реле времени некоторый промежуток времени остается включенным. По истечении времени выдержки второго реле электромагнит отключается и подвижный и неподвижный сварочные электроды раздвигаются. На этом процесс сварки заканчивается и трубка контейнера вынимается из приспособления для запаивания. Введение дополнительной задержки второго реле времени позволяет повысить качество сварного шва - обеспечить его герметичность, а также увеличить его прочность и долговечность.
На основе указанного технического решения в результате опытно-конструкторских работ в этой области, проведенных специалистами Федерального государственного унитарного предприятия «Московский научно-исследовательский институт приборостроения» и Научно-производственной инновационной фирмы «Гиперион» совместно с Гематологическим научным центром РАМН и Военно-медицинской академией, созданы первые отечественные устройства для запаивания трубок полимерных контейнеров для заготовки и хранения крови «Гекон-С» и «Гекон-Б» (см. Гудков А.Г., Жибурт Е.Г., Кошеваров Г.А., Леушин В.Ю. Вопросы герметизации полимерных контейнеров для заготовки и хранения крови и ее компонентов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. №1, 2003).
Наиболее близким решением является устройство для герметизации полимерных контейнеров для хранения крови и ее компонентов (см. RU 2462225, C1, кл. А61J 1/05, 27.09.2012), содержащее источник электропитания, подключенный через первый электронный ключ к высокочастотному генератору, подвижный сварочный электрод, привод подвижного сварочного электрода, подключенный через второй электронный ключ к источнику электропитания, неподвижный сварочные электрод, соединенный с корпусом, узел запуска, микропроцессорный блок управления, датчик тока, подключенный к выходу высокочастотного генератора, первый амплитудный детектор, включенный между датчиком тока и микропроцессорным блоком управления, который соединен с узлом запуска и управляющими входами электронных ключей.
Однако известное устройство имеет существенные недостатки - недостаточное качество шва, обусловленное отсутствием стабилизации мощности высокочастотных колебаний, и невозможность дистанционной герметизации полимерных контейнеров (заваривания магистралей), находящихся непосредственно в устройствах для заготовки крови, таких как миксеры донорской крови и аппараты для плазмофереза.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в устранении вышеуказанных недостатков и создании устройства, обеспечивающего повышение качества шва, повышение производительности герметизации полимерных контейнеров и возможность дистанционной герметизации полимерных контейнеров (заваривания магистралей), находящихся непосредственно в устройствах для заготовки крови, и уменьшение влияния высокочастотной энергии на жидкость в трубке полимерного контейнера.
Технический результат достигается тем, что устройство для герметизации полимерных контейнеров для хранения крови и ее компонентов, содержащее источник электропитания, подключенный через первый электронный ключ к высокочастотному генератору, подвижный сварочный электрод, привод подвижного сварочного электрода, подключенный через второй электронный ключ к источнику электропитания, неподвижный сварочные электрод, соединенный с корпусом, узел запуска, микропроцессорный блок управления, датчик тока, подключенный к выходу высокочастотного генератора, первый амплитудный детектор, включенный между датчиком тока и микропроцессорным блоком управления, который соединен с узлом запуска и управляющими входами электронных ключей, содержит коаксиальную линию передачи, вход которой через датчик тока подключен к выходу высокочастотного генератора, а выход коаксиальной линии передачи через узел согласования подключен к подвижному сварочному электроду, второй амплитудный детектор, вход которого подключен к входу коаксиальной линии передачи, а выход - к микропроцессорному блоку управления.
Технический результат достигается также тем, что подвижный сварочный электрод, привод подвижного сварочного электрода, неподвижный сварочный электрод, узел запуска и узел согласования размещаются в отдельном корпусе и образуют выносное приспособление для герметизации полимерных контейнеров для хранения крови и ее компонентов.
Технический результат достигается также тем, что подвижный сварочный электрод и/или неподвижный сварочный электрод имеют выступы для формирования на сварном шве насечки для упрощения разделения трубки полимерного контейнера по сварному шву.
На чертеже представлена блок схема устройства для герметизации полимерных контейнеров для хранения крови и ее компонентов.
На блок-схеме устройства приведены следующие элементы.
1. Источник электропитания;
2. Первый электронный ключ;
3. Высокочастотный генератор;
4. Подвижный сварочный электрод;
5. Привод подвижного сварочного электрода;
6. Второй электронный ключ;
7. Неподвижный сварочный электрод;
8. Узел запуска;
9. Микропроцессорный блок управления;
10. Датчик тока;
11. Первый амплитудный детектор;
12. Коаксиальная линия передачи;
13. Узел согласования;
14. Второй амплитудный детектор;
15. Корпус выносного приспособления.
Устройство для герметизации полимерных контейнеров для хранения крови и ее компонентов содержит источник электропитания 1, подключенный через первый электронный ключ 2 к высокочастотному генератору 3, подвижный сварочный электрод 4, привод подвижного сварочного электрода 5, подключенный через второй электронный ключ 6 к источнику электропитания 1, неподвижный сварочный электрод 7, соединенный с корпусом, узел запуска 8, микропроцессорный блок управления 9, датчик тока 10, подключенный к выходу высокочастотного генератора 3, первый амплитудный детектор 11, включенный между датчиком тока 10 и микропроцессорным блоком управления 9, который соединен с узлом запуска 8 и управляющими входами электронных ключей 2, 6. Устройство содержит коаксиальную линию передачи 12, вход которой через датчик тока 10 подключен к выходу высокочастотного генератора 3, а выход коаксиальной линии передачи 12 через узел согласования 13 подключен к подвижному сварочному электроду 4, второй амплитудный детектор 14, вход которого подключен к входу коаксиальной линии передачи 12, а выход - к микропроцессорному блоку управления 9.
Подвижный сварочный электрод 4, привод подвижного сварочного электрода 5, неподвижный сварочный электрод 7, узел запуска 8 и узел согласования 13 размещаются в отдельном корпусе 15 и образуют выносное приспособление для герметизации полимерных контейнеров для хранения крови и ее компонентов.
Подвижный сварочный электрод 4 и/или неподвижный сварочный электрод 7 имеют выступы для формирования на сварном шве насечки для упрощения разделения трубки полимерного контейнера по сварному шву.
Устройство работает следующим образом.
Трубка полимерного контейнера размещается между подвижным 4 и неподвижным 7 сварочными электродами. С помощью узла запуска 8 в микропроцессорный блок управления 9 подается сигнал о наличии трубки между электродами. В качестве узла запуска 8 могут использоваться электрические контакты или любой другой датчик положения.
По сигналу с микропроцессорного блока управления 9 включается первый электронный ключ 2 и напряжение от источника электропитания 3 подается на привод подвижного сварочного электрода, который приводит в движение подвижный сварочный электрод 4, который прижимает трубку полимерного контейнера к неподвижному сварочному электроду 7. При этом биоматериал (кровь, ее компоненты и т.д.) выдавливается из зоны прижима.
По истечении заранее заданного времени с микропроцессорного блока управления 9 подается сигнал на управляющий вход второго электронного ключа 6, который включается и напряжение от источника электропитания подается на высокочастотный генератор 3. Мощность высокочастотных колебаний с выхода высокочастотного генератора 3 через датчик тока 10, коаксиальную линию передачи 12, узел согласования 13 подается на подвижный сварочный электрод 4.
Использование коаксиальной линии на выходе генератора позволяет приблизить сварочные электроды к магистрали (трубке) полимерного контейнера, что имеет большое значение при герметизации полимерных контейнеров для крови и ее компонентов, расположенных в устройствах, используемых при заборе их у донора (миксеры донорской крови, аппараты для плазмоцитофереза). Коаксиальная линия передачи обеспечивает подачу мощности генератора на рабочей частоте 40,68 МГц практически без потерь на расстояние до нескольких метров.
Узел согласования 13 обеспечивает трансформацию выходного сопротивления высокочастотного генератора, пересчитанного на выход коаксиальной линии передачи 13, с сопротивлением нагрузки, в качестве которого рассматривается импеданс сварочных электродов с расположенной между ними трубкой из полимерного материала. В простейшем случае в качестве узла согласования может быть использована катушка индуктивности, которая совместно с емкостью сварочных электродов образует последовательный колебательный контур. Величина индуктивности выбирается из условия резонанса на частоте высокочастотного генератора.
Нагрев полимерного материала под действием высокочастотного напряжения обусловлен потерями в диэлектрике, из которого выполнена трубка. Трубки изготавливаются из полихлорвинила (ПХВ), который имеет достаточно большие потери и хорошо разогревается в высокочастотном (ВЧ) - поле. В процессе разогрева трубки, расположенной между электродами, под действием высокочастотных колебаний она размягчается и расплавляется.
При сжатии расплавленного полимерного материала трубки происходит процесс ее заваривания, чем обеспечивается герметизация полимерного контейнера.
При расплавлении трубки полимерного контейнера и присутствии силы сжатия происходит уменьшение расстояния между электродами, что приводит к увеличению межэлектродной емкости. Это в свою очередь приводит к понижению резонансной частоты колебательного контура, образованного индуктивностью узла согласования и емкостью сварочных электродов. Это в свою очередь вызывает уменьшение напряжения на сварочных электродах и отдаваемой мощности генератора, что в конечном итоге приводит к ухудшению качества сварного шва.
В основе предлагаемого изобретения лежит принцип стабилизации выходной мощности высокочастотного генератора. Регулирование выходной мощности высокочастотного генератора 3 осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и осуществляется коммутацией напряжения источника электропитания 1 с помощью электронного ключа 2.
Сигнал, пропорциональный выходному току высокочастотного генератора, снимается с датчика тока 10 и после детектирования первым амплитудным детектором 11 подается на микропроцессорный блок управления 9. Одновременно с входа коаксиальной линии передачи 12 высокочастотное напряжение подается на второй амплитудный детектор 14, выпрямляется и далее также подается на микропроцессорный блок управления. В микропроцессорном блоке управления 9 по измеренным выходному току и выходному напряжению высокочастотного генератора вычисляется его выходная мощность, определяемая их произведением.
Полученное значение выходной мощности сравнивается с заданным и вырабатывается команда управления параметрами широтно-импульсной модуляции высокочастотного генератора. Стабилизация выходной мощности высокочастотного генератора в процессе высокочастотной сварки трубки полимерного контейнера обеспечивает качественный сварной шов и соответственно герметичность контейнера.
Объединение в одном корпусе 15 (например, в виде рукоятки) сварочных электродов 4, 5, привода подвижного сварочного электрода 5, узла запуска 8 и узла согласования 13 обеспечивает удобную работу по герметизации полимерных контейнеров для крови и ее компонентов, расположенных в устройствах, используемых при заборе их у донора (миксеры донорской крови, аппараты для плазмоцитофереза).
Наличие выступа на подвижном сварочном электроде 4 и/или на неподвижном сварочном электроде 7 обеспечивает формирование насечки на сварном шве трубки, что упрощает ее разделение по сварному шву без дополнительной операции разрезания.
Микропроцессорный блок управления может быть реализован на основе микроконтроллера типа AT89S8252 фирмы ATMEL, в качестве датчика тока может быть использован резистор с малым сопротивлением, амплитудный детектор может быть выполнен на операционном усилителе типа TL084 или LM318 фирмы TEXAS INSTRUMENTS.
Проведенная апробация макета устройства подтвердила правильность выбранного технического решения и его высокую эффективность.
Изобретение позволяет обеспечить повышение производительности герметизации полимерных контейнеров, уменьшение расхода электрической энергии и уменьшение влияния высокочастотной энергии на жидкость в трубке полимерного контейнера.