Установка для жидкостного дыхания в условиях гипербарии

Полезная модель установки относится к медицинской технике, а именно к устройствам для осуществления искусственного дыхания, и может найти применение в исследовательских целях и в лечебной практике, например, для осуществления жидкостного дыхания человека в реанимационный период.
Известно устройство для нормобарических и гипербарических исследований, содержащее резервуар с дыхательной средой (оксигенатор), подогреваемой в процессе циркуляции, обеспечиваемой насосами, и обогащаемой кислородом, подводимым к расположенной в придонной части резервуара плоской емкости с отверстиями для его выхода в виде пузырьков в полость с дыхательной средой, которая принудительно подается в легкие биологического объекта, размещенного в боксе (капсуле) и находящегося в условиях нормобарии (Liquid ventilation in dogs: an apparatus for normobaric and hyperbaric studies. D. J. Harris, R. R. Coggin. J. Roby. M. Feezor, G. Turner, P. B. Bennett. Journal of Applied Physiology Published 1 April 1983 Vol. 54 no. 4, 1141-1148). Однако, в описании не содержатся сведения, касающиеся исследований, проводимых в условиях гипербарии, а приведенная схема не отражает особенности конструкции бокса (капсулы) для биологического исследуемого объекта, определяющие возможности устройства, связанные с изменением давления дыхательной среды в условиях гипербарии.
Известен 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. 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.
Среди известных устройств наиболее близким по технической сущности (прототипом) является 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 (способы) искусственного (принудительного) жидкостного дыхания осуществимы лишь в условиях нормобарии, т.е. при нормальном атмосферном давлении, и не могут быть применены в условиях гипербарии для свободного (не принудительного) жидкостного дыхания, т.е. когда легкие биологического объекта находятся под высоким внешним давлением окружающей, например, водной среды, которое, с целью предотвращения баротравмы должно уравновешиваться внутренним давлением, создаваемым подаваемой в легкие дыхательной средой.
Ни аналоги, ни прототип выполнить это условие не могут, т.е. они имеют ограниченные функциональные возможности.
Ожидаемым от предлагаемого технического решения результатом является расширение функциональных возможностей устройств, предназначенных для реализации процесса свободного жидкостного дыхания в условиях гипербарии биологических объектов, погруженных в жидкую дыхательную среду с изменяющимся по заданному закону давлением.
Достижение указанного результата осуществляется за счет того, что в установке для жидкостного дыхания в условиях гипербарии, содержащей капсулу с жидкой дыхательной средой для биологического объекта, емкости для жидких дыхательной и управляющих сред, насосы с приводами, обратные клапаны, дроссели, гидрораспределители с электромагнитным управлением, поглотитель углекислоты, оксигенатор, стабилизатор температуры и соединительные магистрали, капсула с жидкой дыхательной средой, предназначенная для размещения в ней биологического объекта, выполненная в виде герметичного цилиндрического стакана с крышкой и с придонной гофрированной, упругой в осевом направлении, частью, размещена в подвешенном положении в полости вертикальной цилиндрической герметичной камеры высокого давления с быстрооткрывающейся крышкой, соединенной с емкостью управляющей водной среды переменного давления. Полость капсулы с жидкой дыхательной средой соединена с емкостью для подготовленной жидкой дыхательной среды посредством напорного гибкого трубопровода с последовательно встроенными в нее нагнетательным обратным клапаном, нагнетательным поршневым насосом пульсирующего действия, обратным всасывающим клапаном и стабилизатором температуры, а посредством сливного гибкого трубопровода с последовательно встроенными в нее фильтром, впускным отсечным клапаном, откачивающим поршневым насосом пульсирующего действия, выпускным отсечным клапаном и регулируемым дросселем, с емкостью отработанной жидкой дыхательной среды, соединенной с емкостью для подготовленной жидкой дыхательной среды перекачивающим трубопроводом с последовательно встроенными в него перекачивающим насосом, поглотителем углекислоты и оксигенатором с подключенным к нему генератором кислорода. Штоки нагнетательного и откачивающего поршневых насосов пульсирующего действия, имеющих одинаковые объемы штоковых и бесштоковых полостей, механически соединены со штоками приводных гидроцилиндров двустороннего действия, одинаковые по объему штоковые и бесштоковые полости которых посредством соединительных магистралей и каналов четырехлинейного двухпозиционного гидрораспределителя соединены с напорным и сливным гибкими трубопроводами для управляющей жидкой масляной среды, например, в виде машинного масла переменного давления, а поршни нагнетательного и откачивающего поршневых насосов пульсирующего действия и их приводных гидроцилиндров выполнены одного диаметра.
Сравнительный анализ заявленного технического решения с аналогом и прототипом показывает, что применение в составе устройства внешней герметичной камеры высокого давления с изменяющимся по заданному закону давлением находящейся в ее полости управляющей жидкой водной среды, и размещенной в ней капсулы с изменяющимся объемом полости для циркулирующей жидкой дыхательной среды, очищаемой от углекислоты, насыщаемой кислородом, доводимой до требуемой температуры в процессе циркуляции, обеспечиваемой нагнетательным и откачивающим поршневыми насосами пульсирующего действия, а также перекачивающим насосом, способствует расширению его функциональных возможностей и позволяет реализовать процесс свободного жидкостного дыхания находящегося в капсуле с жилкой дыхательной средой биологического объекта в условиях гипербарии.
На чертеже приведена гидравлическая схема установки для жидкостного дыхания в условиях гипербарии.
1
Установка содержит вертикально расположенную цилиндрическую герметичную камеру 1 высокого давления с быстрооткрывающейся крышкой 2, в полости которой, соединенной с емкостью управляющей жидкой водной среды переменного, автоматически регулируемого давления p в виде пресной (или морской) воды, размещена подвешенная на траверсе 3 герметичная капсула 4 для биологического объекта (человека, животного и др.) с жидкой дыхательной средой, например, перфторуглеродом, имеющая форму цилиндрического стакана с быстрооткрывающейся крышкой, придонная часть 5 которой выполнена гофрированной, упругой и менее жесткой в осевом направлении (типа сильфона), чем стенки ее цилиндрической части в радиальном направлении.
Полость капсулы с жидкой дыхательной средой 4 соединена с емкостью 6 для подготовленной жидкой дыхательной среды посредством напорного гибкого трубопровода 7 с последовательно встроенными в него нагнетательным обратным клапаном 8, нагнетательным поршневым насосом 9 пульсирующего действия, всасывающим обратным клапаном 10 и стабилизатором температуры 11, а посредством сливного гибкого трубопровода 12 с последовательно встроенными в него фильтром 13, впускным отсечным клапаном 14 с электромагнитным управлением, откачивающим поршневым насосом 15 пульсирующего действия, выпускным отсечным клапаном 16 с электромагнитным управлением и регулируемым дросселем 17 с емкостью 18 для отработанной жидкой дыхательной среды, соединенной с емкостью для подготовленной жидкой дыхательной среды перекачивающим трубопроводом 19 с последовательно встроенными в него перекачивающим насосом 20, поглотителем углекислоты 21 и оксигенатором 22 с подсоединенным к нему генератором кислорода 23.
2
Нагнетательный и откачивающий поршневые насосы пульсирующего действия имеют штоковые и бесштоковые полости одинакового объема, а их штоки 24 механически соединены со штоками 25 приводных гидроцилиндров 26 и 27 двустороннего действия, штоковые и бесштоковые полости которых посредством трубопроводов 28, 29 и каналов четырехлинейного двухпозиционного гидрораспределителя 30 с электромагнитным управлением соединены с напорной 31 и сливной 32 магистралями для управляющей жидкой масляной среды в виде, например, машинного масла, с переменным, автоматически регулируемым давлением р. Поршни нагнетательного и откачивающего поршневых насосов пульсирующего действия и их приводных гидроцилиндров имеют одинаковые диаметры d.
Функционирует установка следующим образом.
Вначале осуществляется режим загрузки, при котором в извлеченную из герметичной камеры высокого давления 1 капсулу с жидкой дыхательной средой 4 с подсоединенными гибкими напорным 7 и сливным 12 гибкими трубопроводами помещается биологический объект, закрывается быстрооткрывающаяся крышка 2 и происходит заполнение ее полости жидкой дыхательной средой (например, перфторуглеродом) под нормальным давлением через специальный клапан в нижней части (на чертеже не показан) до полного удаления (вытеснения) из нее воздуха через клапан в быстрооткрывающейся крышке (на чертеже не показан).
После проведения контроля физического состояния биологического объекта, капсула с жидкой дыхательной средой 4 с помощью траверсы 3 размещается в подвешенном состоянии в полости герметичной камеры высокого давления 1 и закрывается ее быстрооткрывающаяся крышка 2.
После этого установка переводится в режим жидкостного дыхания в условиях нормобарии с использованием циркулирующей, очищаемой от посторонних частиц и углекислоты, обогащаемой кислородом и стабилизированной по температуре жидкой дыхательной среды.
2
Осуществление циркуляции начинается с закрытия, т.е. переключения отсечного клапана 14 в крайнее правое положение, открытия, т.е. переключение отсечного клапана 16 в крайнее правое положение, и переключение четырехлинейного двухпозиционного гидрораспределителя 30 в показанное на чертеже крайнее левое положение, после чего на его вход по напорной магистрали 31 подается под минимальным давлением р управляющая жидкая масляная среда, которая по трубопроводу 28 поступает в штоковую полость приводного гидроцилиндра 26 и в бесштоковую полость приводного гидроцилиндра 27, вызывая перемещение вправо их поршней со штоками приводных гидроцилиндров 25, механически соединенными со штоками 24 поршней нагнетательного 9 и откачивающего 15 поршневых насосов пульсирующего действия, соответственно. В результате происходит всасывание жидкой дыхательной среды из емкости 6 по напорному гибкому трубопроводу 7 через стабилизатор температуры 11 и всасывающий обратный клапан 10 в бесштоковую полость нагнетательного поршневого насоса пульсирующего действия 9 и вытеснение находящейся в бесштоковой полости откачивающего поршневого насоса пульсирующего действия 15 жидкой дыхательной среды в емкость 18 через открытый отсечной клапан 16 по сливному гибкому трубопроводу 12 со скоростью, зависящей от величины проходного сечения регулируемого дросселя 17.
2
Затем, четырехлинейный двухпозиционный гидрораспределитель 30 переключается в крайнее правое положение, закрывается отсечной клапан 16, открывается отсечной клапан 14. Управляющая жидкая масляная среда под давлением р поступает по трубопроводу 29 в бесштоковую полость приводного гидроцилиндра 26 и в штоковую полость приводного гидроцилиндра 27, а жидкость, находящаяся, соответстивенно, в их штоковой и бесштоковой полостях, сливается по магистралям 28 и 32 в бак для управляющей жидкой масляной среды (на фиг. 1 позицией не обозначен). Происходит перемещение поршней приводных гидроцилиндров со штоками 24 и 25 влево, в результате чего, жидкая дыхательная среда из бесштоковой полости нагнетательного поршневого насоса пульсирующего действия 9 вытесняется через нагнетательный обратный клапан 8 по напорному гибкому трубопроводу 7 в полость капсулы с жидкой дыхательной средой 4, и одновременно, происходит всасывание такого же объема жидкой дыхательной среды через фильтр 13 и отсечной клапан 14 в бесштоковую полость откачивающего поршневого насоса пульсирующего действия 15.
Последующее переключение четырехлинейного двухпозиционного гидрораспределителя 30 в крайнее левое положение приводит к повторению цикла работы нагнетательного и откачивающего поршневых насосов пульсирующего действия, обеспечивающих циркуляцию жидкой дыхательной среды через полость капсулы с жидкой дыхательной средой 4.
Поступившая в емкость 18 отработанная жидкая дыхательная среда, по перекачивающему трубопроводу 19 подается перекачивающим насосом 20 через поглотитель углекислоты (регенератор) 21 в оксигенатор 22, в котором происходит ее насыщение кислородом, вырабатываемым генератором кислорода 23, а затем в емкость 6 подготовленной жидкой дыхательной среды.
1
1
Для перевода установки в режим жидкостного дыхания в условиях гипербарии, полость герметичной камеры высокого давления 1 заполняется управляющей жидкой водной средой, например, пресной (или морской) водой под минимальным регулируемым давлением p до полного вытеснения из нее воздуха через специальный клапан в быстрооткрывающейся крышке 2 (на чертеже не показан), после чего с помощью стандартного пропорционального регулятора давления, входящего в состав насосной установки для подготовки управляющей жидкой водной среды, устанавливается требуемая величина гипербарического давления p.
к
к
к
1
Увеличение давления в полости герметичной камеры высокого давления 1, равномерно действующего на стенки капсулы с жидкой дыхательной средой 4, вызывает упругую деформацию ее гофрированной придонной части 5 длиной L в осевом направлении, т.е. сжатие на величину ΔL, уменьшающую объем V полости капсулы с жидкой дыхательной средой на величину ΔV, что способствует увеличению давления р в капсуле до величины давления p в полости герметичной камеры высокого давления, т.е. устранению перепада давлений и исключению возможности деформации капсулы с жидкой дыхательной средой в радиальном направлении (уменьшению ее диаметра).
2
1
к
к
2
Для осуществления в условиях гипербарии описанного выше процесса циркуляции жидкой дыхательной среды в условиях нормобарии, на вход напорному трубопроводу 29 подается управляющая жидкая масляная среда под давлением р, равном давлению p, которое обеспечивает посредством приводного гидроцилиндра 26 на выходе нагнетательного поршневого насоса пульсирующего действия 9 такое же давление р жидкой дыхательной среды, поступающей по напорному гибкому трубопроводу 7 в полость капсулы с жидкой дыхательной средой 4. Таким образом, нормальное давление всасываемой жидкой дыхательной среды в бесштоковую полость нагнетательного поршневого насоса пульсирующего действия 9 возрастает до давления р = р за счет ее сжатия с помощью приводного гидроцилиндра 26.
Гипербарическое давление рк жидкой дыхательной среды, поступившей в бесштоковую полость откачивающего поршневого насоса пульсирующего действия 15, падает до нормального после открытия отсечного клапана 16, и под таким давлением она поступает через регулируемый дроссель 17 по сливному гибкому трубопроводу 12 в емкость 18.
Г
Г
К
к
К
1
Определение величины осевой упругой деформации ΔL гофрированной части 5 капсулы с жидкой дыхательной средой 4 объемом V со средним диаметром D, вызывающей уменьшение ее объема V на величину ΔV и увеличение давления находящейся в ее полости жидкой дыхательной среды на величину Δр, равную величине давления p подаваемой в герметичную камеру высокого давления 1 управляющей жидкой водной среды, может быть рассмотрено на следующем примере.
К
Г
К
К
2
3
При диаметре капсулы с жидкой дыхательной средой D=D=0,4 м и высоте Н=1,5 м, объем ее полости V=(πD/4)⋅Н=0,1884 м≅190 литров.
Коэффициент сжатия находящейся в ней жидкой дыхательной среды
к
где ΔV - изменение объема жидкой дыхательной среды в полости капсулы с жидкой дыхательной средой;
K
Δр - изменение давления жидкой дыхательной среды в полости капсулы с жидкой дыхательной средой.
Здесь формула (1) - аналог формулы 1.1 из (Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Под ред. Б.Б. Некрасова. Минск, Вышяйш. Школа, 1976. - С. 12, параграф 1.2).
Приняв (для примера) коэффициент сжатия жидкой дыхательной среды равным коэффициенту сжатия воды
P
-11
-11
2
β=48,5⋅10 1/Па=48,5⋅10 м/Н
Р
(β получено расчетом из среднего изотермического модуля упругости для воды из Таблицы 1.6 на стр. 13 Справочного пособия по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам, полная ссылка приведена выше).
K
5
2
При Δр=15 МПа=150⋅10·Н/м,
изменение объема жидкой дыхательной среды в капсуле с жидкой дыхательной средой:
K
K
K
р
-3
3
ΔV=VΔрβ≅1,36⋅10 м=1,36 л
Величина осевой упругой деформации гофрированной части 5 капсулы с жидкой дыхательной средой:
Г
Г
2
ΔL=V / (πD/4).
Г
К
-3
Приняв V=ΔV, получаем ΔL=10,8·10 м≅11·мм.
1
Следовательно, с учетом колебания давления p, длина L гофрированной части капсулы с жидкой дыхательной средой должна с некоторым запасом превышать величину ее осевой упругой деформации.
Таким образом, техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройств, предназначенных для реализации процесса свободного жидкостного дыхания в условиях гипербарии биологических объектов, погруженных в жидкую дыхательную среду с изменяющимся по заданному закону давлением.