АППАРАТ ЖИДКОСТНОГО ДЫХАНИЯ С ЗАМКНУТЫМ ДЫХАТЕЛЬНЫМ КОНТУРОМ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к аппаратам искусственного дыхания.
Известен модуль жидкостного дыхания в условиях гипербарии для модельного биообъекта (Патент RU 203446, МПК А61Н 31/02, МПК А61М 16/00), содержащий пульсирующий насос с контурами вдоха и выдоха на базе сильфонов, соединительные трубопроводы с электромагнитными пневмораспределителями для кислорода и гидрораспределителями для дыхательной жидкости, фильтр, регенератор углекислого газа, датчик кислорода, емкость для дыхательной жидкости с упругим дном в виде сильфона, баллон сжатого кислорода, оксигенатор и блок управления.
К недостаткам модуля следует отнести сложность конструкции, большой расход кислорода, используемого не только для оксигенации, но и в качестве энергоносителя для пульсирующего сильфонного насоса, некачественная очистка дыхательной жидкости из-за отсутствия возможности удаления из нее азота, накопление которого в организме биообъекта приводит к кессонной болезни, что сужает его функциональные возможности.
Известен аппарат жидкостного дыхания (Патент СССР 764677, МПК А61Н 31/02), содержащий дозировочный насос с приводом и блоком управления, поглотитель углекислоты, оксигенатор, стабилизатор температуры (термостат), дозатор кислорода, клапан избыточного давления, электромагнитные клапаны и присоединительные элементы (трубопроводы), к недостаткам которого следует отнести ограниченные функциональные возможности и невысокое качество очистки дыхательной жидкости вследствие невозможности удаления из выдыхаемой дыхательной жидкости растворенного в ней азота, а также необходимость иметь дополнительный источник сжатого воздуха для работы дозатора.
Известен аппарат вентиляции легких (Патент RU 2732639, МПК А61Н 31/00, МПК А61М 16/00), содержащий мембранный насос, бак-накопитель для дыхательной жидкости с оксигенатором и термостатом, автоматические электромагнитные клапаны, блок управления и систему циркуляции дыхательной жидкости в виде двух контуров - контура подготовки дыхательной жидкости и совмещенного контура ее закачки и удаления, т.е. контура вдоха/выдоха.
К его недостаткам следует отнести ограниченные функциональные возможности вследствие неспособности удаления из выдыхаемой дыхательной жидкости растворенного в ней азота и углекислого газа, а также осуществления ее обеззараживания (дебактеризации). Кроме того, вследствие совмещения контуров вдоха и выдоха с использованием одного насоса, в подготовленную (оксигенированную) жидкость контура вдоха не исключается попадание выдыхаемой жидкости, что негативно отражается на ее качестве.
Вследствие совмещения контуров вдоха и выдоха отсутствует возможность независимого изменения параметров циркуляции жидкости через эти контуры, таких как давление, расход, объем, что также ограничивает функциональные возможности аппарата в целом.
В качестве прототипа взят аппарат жидкостного дыхания (патент на полезную модель RU 209285, МПК А61М 16/00), содержащий эластичные емкости для вдыхаемой и выдыхаемой жидкости, камеру ультразвуковой проточной обработки жидкости с источником ультразвукового воздействия, оксигенатор с термостатом, обеззараживающую камеру, систему циркуляции дыхательной жидкости, включающую контуры вдоха, выдоха и ее подготовки, с подключенными к блоку управления насосами, устройствами для измерения параметров циркуляции жидкости и электромагнитными клапанами.
Насос контура подготовки осуществляет перекачку жидкости, поступающей в емкость контура выдоха, в емкость контура вдоха через обеззараживающую камеру, камеру ультразвуковой проточной обработки и камеру оксигенатора.
Возникающая под действием механических ультразвуковых колебаний кавитация жидкости вызывает выделение в виде пузырьков растворенных в ней газов азота, углекислого газа и кислорода, которые переносятся жидкостью в оксигенатор, где под воздействием создаваемых дозатором пузырьков кислорода выносятся из жидкости, накапливаются в верхней части его корпуса, а затем, при увеличении давления, удаляются через предохранительный клапан в окружающую среду.
К его недостаткам следует отнести, во-первых, отсутствие надежного насыщения циркулирующей через оксигенатор дыхательной жидкости кислородом, поступающим через отверстия перфорированной мембраны дозатора, вследствие его неравномерного распределения в объеме жидкости, находящейся в камере оксигенатора, во-вторых, повышенный расход удаляемого в атмосферу кислорода, оставшегося после насыщения жидкости, в-третьих, значительное время поглощения дозируемого кислорода дыхательной жидкостью.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, являются повышение надежности насыщения кислородом циркулирующей через оксигенатор дыхательной жидкости.
Решение поставленных задач обеспечивается за счет того, что в конструкции аппарата, содержащего трубопроводы контуров вдоха, выдоха и подготовки дыхательной жидкости со встроенными в них электромагнитными клапанами, насосами, накопительными эластичными емкостями, фильтром, обеззараживающей камерой, камерой ультразвуковой проточной обработки жидкости, оксигенатором с дозатором кислорода и электрическим термостатом, а также с подключенными к блоку управления устройствами для измерения параметров циркуляции жидкости, дозатор кислорода выполнен в виде диска, являющегося дном вертикально расположенной цилиндрической камеры оксигенатора, снабженного центральным отверстием, в котором закреплен конец большего диаметра конического диффузора инжектора с выходным отверстием, в котором установлен разделитель потока дыхательной жидкости в виде конической вставки со спиральными канавками на ее прилегающей к диффузору конической поверхности.
Соосно диффузору расположена смесительная камера инжектора в виде усеченного конуса, полость которой обращена меньшим диаметром к входному отверстию полости диффузора, а большим диаметром к всасывающей полости корпуса инжектора, в которой соосно полости смесительной камеры расположено питающее сопло инжектора.
По периферии диска выполнены на одинаковом расстоянии от центра и с одинаковым окружным шагом сквозные отверстия со вставками из пористого материала.
Питающее сопло инжектора и отверстия на периферии диска соединены посредством трубопроводов со встроенными в них регулируемыми дросселями и трубопровода со встроенными в него отсечным электромагнитным клапаном и регулятором давления с баллоном сжатого кислорода.
Всасывающая полость инжектора соединена трубопроводом со встроенным в него регулируемым дросселем с трубопроводом для подвода дыхательной жидкости в полость камеры оксигенатора.
Между совокупностью заявляемых признаков полезной модели и ожидаемыми техническими результатами, получаемыми с помощью предлагаемого аппарата жидкостного дыхания с замкнутым дыхательным контуром, существует следующая причинно-следственная связь.
Во-первых, наличие в конструкции оксигенатора дозатора кислорода с инжектором (струйный насос на базе трубки Вентури), снабженным разделителем потока дыхательной жидкости в виде конической вставки со спиральными винтовыми канавками (каналами) для выхода дыхательной жидкости в полость камеры оксигенатора, способствует образованию в указанной полости нескольких (по числу спиральных канавок) перемещающихся с высокой скоростью (эффект Вентури) по траекториям в виде расходящихся винтовых спиралей потоков жидкости, вызывающих рост интенсивности перемешивания протекающей через полость камеры дыхательной жидкости с поступающим в нее через спиральные канавки и периферийные отверстия с пористыми вставками в диске дозатора кислородом, что повышает надежность ее насыщения кислородом до нужного уровня и уменьшает время достижения этого уровня.
Во-вторых, наличие встроенных в соответствующие трубопроводы для подачи кислорода к оксигенатору регулируемых дросселей, отсечного электромагнитного клапана и регулятора давления кислорода, позволяет оптимизировать данный процесс и уменьшить тем самым расход кислорода, удаляемого из полости камеры оксигенатора в атмосферу через клапан сброса в ее верхней части.
Периодическое переключение отсечного клапана обеспечивает порционность подачи кислорода в оксигенатор, что исключает возможность перенасыщения дыхательной жидкости кислородом.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема аппарата; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.
Аппарат жидкостного дыхания с замкнутым дыхательным контуром основан на использовании замкнутого контура циркуляции дыхательной жидкости, которая включает три функционально независимых контура -контур подготовки жидкости, контур вдоха и контур выдоха, поскольку параметры циркулирующей через них жидкости, такие как давление, расход, температура и объем, не связаны между собой и не влияют друг на друга.
Контур подготовки жидкости содержит перекачивающий лопастной насос 1 (фиг. 1), вход которого, посредством трубопровода 2 с последовательно встроенными в него обеззараживающей камерой 3 (например, ультрафиолетовой) и фильтром 4, соединен с трубопроводом 5 контура выдоха с последовательно встроенными в него накопительной эластичной емкости 6 в виде упругой оболочки для использованной выдыхаемой жидкости, откачивающим лопастным насосом 7, датчиком расхода 8 и отсечным электромагнитным клапаном 9.
Выход перекачивающего насоса, посредством трубопровода 10 с последовательно встроенными в него вертикально расположенной цилиндрической герметичной камеры 11 для ультразвуковой проточной обработки жидкости (Патент РФ 141803), снабженной источником ультразвукового воздействия с генератором электрических ультразвуковых колебаний 12 и акустически связанных преобразователя электрических колебаний в механические (например, пьезоэлектрического), ступенчатого концентратора колебаний 13 и рабочего инструмента (излучателя) в форме диска 14, и далее, регулируемым дросселем 15 и камерой оксигенатора 16, охваченной снаружи спиральным нагревательным элементом электрического термостата 17, соединен с трубопроводом 18 контура вдоха с последовательно встроенными в него датчиком температуры 19, накопительной эластичной емкостью 20 для подготовленной вдыхаемой жидкости, аналогичной емкости для выдыхаемой жидкости, основным 21 и вспомогательным 22 закачивающими лопастными насосами, датчиком расхода 23, датчиком давления 24 и отсечным электромагнитным клапаном 25.
Выход и вход трубопроводов соответственно контуров вдоха и выдоха соединены между собой и с переходником 26 для установки эндотрахеальной трубки.
Упомянутая выше камера оксигенатора, выполнена в виде цилиндрической герметичной вертикально расположенной емкости с патрубком 27 для подвода дыхательной жидкости и дозатором кислорода в ее нижней части, а также с патрубком 28 отвода жидкости, ультразвуковым датчиком уровня 29 и патрубком для установки обратного (предохранительного) клапана 30 в ее верхней части.
Дозатор кислорода выполнен в виде диска 31, являющегося дном камеры оксигенатора, снабженного центральным отверстием 32 (фиг. 2), в котором закреплен конец большего диаметра конического диффузора 33 инжектора (струйный насос на базе трубки Вентури) с выходным отверстием, в котором установлен разделитель потока дыхательной жидкости в виде конической вставки 34 со спиральными канавками 35 на ее прилегающей к диффузору конической поверхности.
Соосно диффузору расположена смесительная камера 36 инжектора в виде усеченного конуса, полость которой обращена меньшим диаметром к входному отверстию полости диффузора, а большим диаметром к всасывающей полости 37 корпуса инжектора 38, в которой соосно полости смесительной камеры расположено питающее сопло 39 инжектора.
Диффузор и смесительная камера образуют трубку Вентури.
По периферии диска выполнены на одинаковом расстоянии от центра и с одинаковым окружным шагом сквозные отверстия 40 со вставками 41 из пористого материала (например, спеченного полимера или керамики).
Питающее сопло инжектора и отверстия на периферии диска соединены посредством трубопроводов 42 со встроенными в них регулируемыми дросселями 43 и трубопровода 44 со встроенными в него отсечным электромагнитным клапаном 45 и регулятором давления 46 с баллоном сжатого кислорода 47, а всасывающая полость инжектора соединена трубопроводом 48 со встроенным в него регулируемым дросселем 49 с трубопроводом для подвода дыхательной жидкости в полость камеры оксигенатора.
Работа аппарата осуществляется следующим образом.
Перед ее началом все полости контуров заполняются подготовленной дыхательной жидкостью, например, перфторуглеродом, а в переходник 26 (фиг. 1) устанавливается эндотрахеальная трубка.
С помощью регулятора давления 46 устанавливается давление кислорода, подаваемого в дозатор оксигенатора, превышающее давление дыхательной жидкости в дыхательном контуре аппарата.
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 пациента вводится эндотрахеальная трубка.
Фаза вдоха реализуется при закрытом отсечном клапане 9 и выключенном насосе 7 контура выдоха, открытом отсечном клапане 25 контура вдоха и открытом отсечном клапане 45 в составе дозатора кислорода. Включается основной закачивающий насос 21 и дыхательная жидкость, находящаяся в полости накопительной эластичной емкости 20, поступает по трубопроводу 18 контура вдоха к эндотрахеальной трубке. Поскольку продолжительность фазы вдоха в два раза меньше продолжительности фазы выдоха, а производительность насосов 7, 21 и 22 одинаковая, использование в контуре вдоха двух закачивающих насосов 21 и 22 обеспечивает равенство объемов жидкости, перекачиваемой через контуры.
Фаза выдоха реализуется при закрытом отсечном клапане 25, выключенных насосах 21 и 22, открытом отсечном клапане 9 и включенном откачивающим насосе 7, обеспечивающих поступление выдыхаемой жидкости в накопительную емкость 6.
Одновременно с насосом 7 включается перекачивающий насос 1 контура подготовки дыхательной жидкости, который осуществляет перекачку поступающей в емкость 6 выдыхаемой жидкости в емкость 20 контура вдоха через очистной фильтр 4, обеззараживающую камеру 3, камеру 11 ультразвуковой проточной обработки жидкости и камеру 16 оксигенатора.
При реализации фаз вдоха и выдоха перекачивающий насос 1 включен постоянно.
Входящий в состав проточной камеры 11 источник ультразвукового воздействия 12, создает с помощью генератора ультразвуковые электрические колебания, которые преобразуются в механические ультразвуковые колебания с помощью преобразователя, усиливаются с помощью ступенчатого концентратора 13 продольных колебаний и вызывают колебания с частотой f и амплитудой а рабочего инструмента в виде диска 14, закрепленного на конце концентратора.
Ультразвуковые колебания диска 14 вызывают кавитацию соприкасающейся с ним жидкости, которая приводит к образованию пузырьков из растворенных в ней газов азота, углекислого газа и кислорода. Эти пузырьки выносятся потоком жидкости из полости проточной камеры 11 в полость камеры 16 оксигенатора, где подхватываются пузырьками кислорода, поступающего из периферийных отверстий дозатора 40 со вставками 41 из пористого материала, а также из спиральных канавок 35 вставки 34, и выносятся в часть полости камеры 16, расположенную выше уровня находящейся в ней жидкости, который всегда выше отверстия отводящего патрубка 28.
При этом часть пузырьков кислорода растворяется в дыхательной жидкости, осуществляя ее насыщение кислородом, т.е. оксигенацию.
Повышению надежности насыщения способствует перемешивание дыхательной жидкости с поступающим в нее из дозатора кислородом, осуществляемое с помощью входящего в состав дозатора инжектора.
Струя сжатого кислорода, пройдя через сужение в питающем сопле 39 и всасывающую полость 37 в корпусе 38 инжектора, поступает в смесительную камеру 36. При этом, за счет кинетической энергии струи, в полости 37 создается разрежение, вызывающее подсос дыхательной жидкости из трубопровода 48 в указанную полость, откуда она вместе со струей сжатого кислорода поступает в смесительную камеру 36. Далее, образовавшийся поток дыхательной жидкости, пройдя сужение в месте соединения смесительной камеры 36 с диффузором 33, увеличивает свою скорость за счет эффекта Вентури, а проходя в полость камеры 16 оксигенатора через спиральные винтовые канавки (каналы) 35 вставки 34, разделяется на ряд более мелких потоков по числу канавок, перемещающихся в полости камеры оксигенатора по траекториям в виде расходящихся винтовых спиралей, осуществляющих перемешивание находящейся в камере дыхательной жидкости с дозируемым кислородом, способствуя тем самым повышению надежности насыщения этой жидкости кислородом.
Уровень жидкости в оксигенаторе контролируется ультразвуковым бесконтактным датчиком 29, который управляет по каналу обратной связи через блок управления работой насоса 1, увеличивая или уменьшая расход жидкости, а накапливающаяся в верхней части полости камеры 16 оксигенатора смесь газов азота, углекислого газа и частично кислорода, при превышении давления срабатывания обратного клапана 30, удаляется через него в окружающую среду.
Обогащенная кислородом жидкость поступает в емкость 20 по трубопроводу 18 со встроенным датчиком температуры 19, который управляет термостатом 17, поддерживая заданную температуру жидкости, проходящей через оксигенатор.
Датчик давления 24 в контуре вдоха обеспечивает регулирование по давлению насосов 21 и 22, а датчик расхода 23 - их регулирование по расходу.
Датчик расхода 8 в контуре выдоха управляет работой откачивающего насоса 7.
Выполнение емкостей 6 и 20 эластичными в виде упругих оболочек позволяет компенсировать возникающую при работе аппарата разность объемов жидкости, протекающей через контуры вдоха и выдоха.
С помощью регулируемых дросселей 43, 15 и 49 изменяется расход кислорода и дыхательной жидкости при настройке аппарата.
При изменении цикличности работы отсечного клапана 45, т.е. при изменении частоты его переключения, достигается порционность подачи кислорода в оксигенатор, что позволяет регулировать время насыщения кислородом протекающей через полость камеры жидкости и избежать ее перенасыщение кислородом.