способ управления процессом ультразвуковой герметизации пластиковых контейнеров для хранения и переработки компонентов крови

Формула изобретения

Способ управления процессом ультразвуковой герметизации пластиковых контейнеров для хранения и переработки компонентов крови, заключающийся в установке участка полимерной трубки между двумя плоскими поверхностями, одна из которых акустически связана с источником ультразвуковых колебаний, сжатии трубки до касания противоположных внутренних поверхностей ее между собой, ультразвуковом воздействии до перехода материала трубки в вязкопластичное состояние и формировании термического шва, отличающийся тем, что после размещения участка полимерной трубки между двумя плоскими поверхностями подают электрическое напряжение на обмотку электромагнита от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты, настроенного на рабочую частоту, более высокую, чем собственная частота механических колебаний ультразвуковой колебательной системы, в процессе сжатия трубки осуществляют перестройку частоты генератора с высокой частоты на более низкую, приближают рабочую частоту генератора к собственной резонансной частоте колебательной системы, преобразуют электрические колебания в упругие ультразвуковые при совпадении частот генератора и колебательной системы и формируют термический шов, перестройкой генератора уменьшают частоту и прекращают ультразвуковое воздействие, продолжая подавать электрическое напряжение от генератора на обмотку магнита до стабилизации герметизирующего шва, причем скорость изменения рабочей частоты генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты в заданном диапазоне устанавливается в зависимости от типа герметизируемого контейнера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицинских технологий, связанных со сбором, хранением и переработкой крови, а именно к способам герметизации пластиковых контейнеров, предназначенных для сбора, хранения и переработки крови, и может быть использовано для создания современной материально-технической базы станций и отделений переливания крови.

Широкое применение препаратов крови обуславливает специальные требования и особенности их сбора и хранения. Исключение из технологии заготовки и переработки крови стеклянной тары и повсеместное применение пластиковых контейнеров (гемоконтейнеров) потребовало перевооружения всей материально-технической базы станций и отделений переливания крови.

Одна из основных проблем материально-технического обеспечения технологии сбора, переработки и хранения препаратов крови - это проблема надежной герметизации пластиковых контейнеров.

До настоящего времени в нашей стране эта проблема решается механическим пережатием подводящих к контейнеру полимерных трубок и их фиксации в пережатом состоянии специальными металлическими клипсами. Для реализации такого способа требуется большое количество одноразовых клипс, а качество герметизации зависит от ряда субъективных факторов, таких как квалификация медицинского персонала, качество клипс, создаваемое вручную усилие сжатия, и не всегда отвечает существующим требованиям.

Перечисленные факторы приводят к тому, что способ, основанный на механическом пережатии подводящих полимерных трубок, не отвечает существующим современным требованиям.

В связи с этим все более широкое распространение получают аппаратные автоматизированные способы герметизации пластиковых контейнеров для хранения и переработки крови, основанные на термическом запаивании подводящих полимерных трубок в непосредственной близости (на расстоянии не более 10 мм) от их ввода в гемоконтейнер.

За рубежом широкое распространение получил способ управления процессом герметизации пластиковых контейнеров для хранения и переработки крови, заключающийся в том, что за счет подвода высокочастотной энергии нагревают участок подводящей трубки до температуры, достаточной для формирования термического шва, пережимают трубку в зоне энергетического воздействия, охлаждают, удерживают трубку в пережатом состоянии до стабилизации термического шва и затем отделяют неиспользуемую часть подводящей трубки. Поскольку при этом герметизация осуществляется за счет образования термического шва, металлические клипсы не применяются. Для реализации способа применяются диэлектрические запаиватели типа Hematron 2, Biosealer CR2, Biosealer CR3 и др. [1, 2, 3, 4].

Анализ и сравнение технических возможностей диэлектрического и ультразвукового способов сварки применительно к решению проблемы герметизации контейнеров с препаратами крови позволил выявить несомненные достоинства ультразвукового способа.

Выявленные достоинства ультразвукового способа герметизации контейнеров с препаратами крови позволили предложить и разработать ультразвуковой запаиватель пластиковых контейнеров с препаратами крови [5], в котором реализуется способ управления процессом герметизации, принятый за прототип.

Способ управлении процессом ультразвуковой герметизации пластиковых контейнеров, принятый за прототип, заключается в следующем.

Устанавливают участок полимерной трубки, находящийся в непосредственной близости от ее ввода в контейнер, между двумя плоскими поверхностями, одна из которых акустически связана с источником ультразвуковых колебаний, подают электрическое напряжение на обмотку электромагнита и осуществляют сжатие трубки до касания противоположных внутренних поверхностей трубки между собой. Затем включают генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты, преобразуют с помощью колебательной системы электрические колебания в упругие ультразвуковые с частотой 44 кГц и вводят их в стенку трубки, осуществляя ультразвуковое воздействие до перехода материала трубки в вязкопластичное состояние в зоне формирования шва. В процессе ультразвуковой сварки осуществляют перестройку собственной частоты электрических колебаний генератора в соответствии с изменениями собственной механической частоты колебательной системы, демпфируемой изменяющейся акустической нагрузкой. После перевода материала трубки в вязкопластичное состояние отключают генератор электрических колебаний, продолжая удерживать трубку в пережатом состоянии до стабилизации герметизирующего шва. Одновременно со сваркой осуществляют разрезку трубки перпендикулярно ее оси по центру зоны ультразвукового воздействия. После стабилизации герметизирующего шва отключают электромагнит, освобождают полимерную трубку и разделяют одновременно загерметизированные контейнер и неиспользуемую систему трубок.

Для реализации способа управления, принятого за прототип, требуется применение блоков раздельного питания электронного генератора и системы сжатия полимерной трубки (электромагнита). Последовательное включение электромагнита, электрического генератора, выключение генератора и затем выключение электромагнита должно осуществляться через определенные интервалы времени. Длительность этих интервалов времени зависит от свойств герметизируемой полимерной трубки (материала, его пластичности, плотности, толщины стенок, диаметра трубки).

Кроме того, в процессе работы генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты необходимо непрерывно измерять собственную частоту механических колебаний ультразвуковой колебательной системы и осуществлять перестройку генератора в соответствии с изменениями частоты колебательной системы.

Таким образом, для каждого типа используемого на практике гемоконтейнера управление процессом ультразвуковой герметизации требует ручной или автоматизированной перестройки большого числа временных характеристик процесса (времени включения и выключения электромагнита и генератора; времени, необходимого для сжатия полимерной трубки до момента касания внутренних поверхностей между собой; времени, необходимого и достаточного для перевода материала трубки в вязкопластичное состояние) и частотных характеристик ультразвукового воздействия.

Ввиду большого разброса параметров полимерных трубок, даже в пределах одного типа гемоконтейнера, отсутствия автоматических способов определения этих параметров в процессе герметизации, автоматизация управления процессом герметизации практически невозможна, а ручное управление процессом (путем подбора и ручной одновременной регулировки большого числа временных интервалов) часто приводит к ошибкам. При этом не обеспечивается надежная герметизация и происходит потеря большого количества ценных препаратов крови.

Таким образом, способ управления процессом ультразвуковой герметизации пластиковых контейнеров, принятый за прототип, не обеспечивает надежной герметизации пластиковых контейнеров всех используемых типов.

В предлагаемом способе решается задача по устранению недостатков существующего способа управления процессом ультразвуковой герметизации пластиковых контейнеров для хранения и переработки крови и создание способа управления, обеспечивающего надежную герметизацию всех типов контейнеров.

Технический результат изобретения выражается в повышении надежности герметизации всех типов гемоконтейнеров за счет исключения необходимости определения и перестройки большого числа временных интервалов, перечисленных выше, и частотных характеристик генератора в соответствии с изменениями собственной частоты колебательной системы.

Суть предлагаемого способа управления заключается в том, что в известном способе управления устанавливают участок полимерной трубки, находящийся в непосредственной близости от ее ввода в контейнер, между двумя плоскими поверхностями, одна из которых акустически связана с источником ультразвуковых колебаний, осуществляют сжатие трубки до касания противоположных внутренних поверхностей трубки между собой, осуществляют ультразвуковое воздействие до перехода материала трубки в вязкопластичное состояние и формируют термический шов. После размещения участка подводящей полимерной трубки между двумя плоскими поверхностями подают электрическое напряжение на обмотку электромагнита от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты, настроенного на рабочую частоту, более высокую, чем собственная частота механических колебаний ультразвуковой колебательной системы. В процессе сжатия трубки осуществляют перестройку частоты генератора с высокой частоты на более низкую, приближают рабочую частоту генератора к собственной резонансной частоте колебательной системы, при совпадении частот генератора и колебательной системы эффективно преобразуют электрические колебания в упругие ультразвуковые и формируют термический шов. Перестройкой генератора уменьшают частоту и прекращают ультразвуковое воздействие, продолжая подавать электрическое напряжение от генератора на обмотку магнита до стабилизации герметизирующего шва, причем скорость изменения рабочей частоты генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты в заданном диапазоне устанавливается в зависимости от типа герметизируемого контейнера.

Таким образом, в предложенном методе управления процессом герметизации вместо управления временными интервалами включения и выключения большого количества отдельных узлов осуществляется только управление скоростью изменения рабочей частоты генератора в заданном диапазоне.

Основными достоинствами предложенного способа управления процессом герметизации являются исключение из состава ультразвукового запаивателя блоков автоматической подстройки частоты, узла обратной связи, блока отдельного питания электромагнита, а также блоков установки и регулирования временных интервалов сварки, прижима и охлаждения.

Это значительно снизило массогабаритные характеристики ультразвукового запаивателя и увеличило надежность работы всей системы в целом.

В соответствии с предложенным способом управления был разработан и изготовлен ультразвуковой запаиватель гемоконтейнеров, содержащий следующие узлы:

- узел прижима (сжатия полимерной трубки);

- генератор электрических колебаний;

- ультразвуковая колебательная система;

- блок автоматики.

Важнейшим узлом запаивателя является ультразвуковая колебательная система. Она служит для преобразования электрической энергии в энергию механических ультразвуковых колебаний и передачи этих колебаний через плоскую рабочую поверхность в зону сварки (т.е. в стенку трубки из полимерного материала).

Колебательная система выполнена по полуволновой схеме и состоит из пьезокерамического преобразователя, механического концентратора энергии ультразвуковых колебаний и рабочего инструмента, имеющего плоскую рабочую поверхность. Выбранная конструктивная схема позволила создать колебательную систему длиной 60 мм и диаметром 30 мм, обеспечивающую на рабочем инструменте амплитуду колебаний не менее 20 мкм.

Для питания ультразвуковой колебательной системы используется ультразвуковой генератор электрических колебаний, преобразующий электрическую энергию промышленной частоты (50 Гц) в электрическую энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты (44 кГц).

Генератор электрических колебаний включает в себя задающий генератор, предварительный усилитель, усилитель мощности и узел, обеспечивающий автоматическую перестройку рабочей частоты в заданном диапазоне.

Блок автоматики предназначен для автоматизации цикла герметизации и обеспечивает запуск генератора после установки трубки и перестройку его рабочей частоты с заданной скоростью в установленном диапазоне.

Для создания необходимого усилия сжатия (сварочного усилия) полимерной трубки служит узел прижима. Узел прижима выполнен в виде цилиндра, внутри которого размещена ультразвуковая колебательная система, и само устройство, обеспечивающее сжатие полимерной трубки и состоящее из прижимной планки, направляющих, крепежной планки с плоской рабочей поверхностью, электромагнита и возвратной пружины. Разработанное устройство сжатия создает статическое давление при сварке не менее 160 кг, что обеспечивает надежный герметизирующий шов.

Проведенные исследования функциональных возможностей созданного ультразвукового запаивателя позволили установить:

1. При задании различной скорости перестройки рабочей частоты генератора созданный ультразвуковой запаиватель обеспечивает надежную герметизацию всех типов существующих гемоконтейнеров отечественного и зарубежного производства.

2. Созданный ультразвуковой запаиватель обеспечивает герметизацию не менее 10 гемоконтейнеров в минуту, что позволяет удовлетворить потребности станций и отделений переливания крови.

В настоящее время Бийским технологическим институтом Алтайского государственного технического университета ведется подготовка к серийному производству ультразвуковых запаивателей, реализующих предложенный способ управления процессом ультразвуковой герметизации. Планируется начать мелкосерийное производство в 2000 году.

Литература

1. HEMATRON 11. Baxter Healthcare Corporation. Техническое описание. 1992 г.

2. BIOSEALER CR2. Baxter Healthcare Corporation. Техническое описание. 1995 г.

3. BIOSEALER CR3. Baxter Healthcare Corporation. Техническое описание. 1995 г.

4. Службы крови: приглашение к сотрудничеству. Екатеринбург: Ассоциация ДЕЛЬРУС, ГМПО "САНГВИС". 1995. 64 стр.

5. Хмелев В. Н., Беляков А.В., Бокслер А.И. Ультразвуковой запаиватель контейнеров с препаратами крови. Информационный бюллетень "Новое в трансфузиологии", М., 1996 г., вып. 15, с.69-73.