увлажнитель дыхательных смесей

Формула изобретения

Увлажнитель дыхательной смеси, содержащий камеру испарения с входным и выходным патрубком для дыхательной смеси, в полости которой установлен испаряющий вкладыш дыхательной смеси, нагреватель воды под ее дном, подающий шланг, на выходе которого установлен датчик температуры дыхательной смеси, источник электропитания и блок управления, включающий канал регулирования температуры дыхательной смеси, отличающийся тем, что камера испарения выполнена из прозрачного полимерного материала, с металлическим дном, под которым установлен плоский нагреватель воды, а в качестве испаряющего вкладыша дыхательной смеси в полости камеры установлен спиральный воздуховод, выполненный из пористого металла, увлажнитель содержит нагреватель дыхательной смеси, размещенный внутри подающего шланга, на выходе которого установлены конструктивно объединенные датчик температуры дыхательной смеси и датчик влажности дыхательной смеси, а блок управления дополнительно содержит канал регулирования влагосодержания дыхательной смеси и микроконтроллер, при этом первый, второй и третий выходы источника электропитания подключены соответственно к первому входу канала регулирования температуры дыхательной смеси, к первому входу канала регулирования влагосодержания дыхательной смеси и входу микроконтроллера, первый выход микроконтроллера соединен с третьим входом канала регулирования температуры дыхательной смеси, выход которого соединен с входом нагревателя дыхательной смеси, а второй вход подключен к датчику температуры дыхательной смеси, второй выход микроконтроллера подключен к третьему входу канала регулирования влагосодержания дыхательной смеси, выход которого подключен к нагревателю воды, а второй вход соединен с датчиком влажности дыхательной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для нагрева и повышения влагосодержания не содержащих воспламеняющихся анестетиков дыхательных смесей, поступающих взрослым пациентам или детям при ингаляционном наркозе (ИН) и искусственной вентиляции легких (ИВЛ).

Известны различные конструкции увлажнителей дыхательной смеси (авторские свидетельства СССР №№ 929109, А61М 16/00, 1980 г.; 1050713, А61М 16/16, 1982 г.; 1292787, А61М 16/00, 1985 г.; 1570733, А61М 16/16, 1988 г.).

Известные увлажнители дыхательной смеси, отличаясь конечной конструктивной реализацией, имеют общие характерные существенные недостатки: отсутствие средств автоматического регулирования температуры и влагосодержания дыхательной смеси на выходе подающего шланга увлажнителя и осуществление нагрева проходящей через увлажнитель газовой смеси за счет нагрева воды в резервуаре увлажнителя или подачи в поток смеси пара кипящей воды. Это требует постоянного контроля медперсонала за выходной температурой и количеством конденсата в подающем шланге и в конечном итоге снижает эффективность и безопасность применения увлажнителя.

Известен увлажнитель дыхательной смеси, приведенный а авторском свидетельстве СССР №768402 (А61М 16/16, 1978 г.), наиболее близкий по технической сущности и выбранный в качестве прототипа патентуемого изобретения.

Известный увлажнитель обеспечивает одновременное увлажнение различных участков дыхательных путей. Это достигается тем. что увлажнитель снабжен блоком регулирования температуры дыхательной смеси. Для увеличения влагосодержания дыхательной смеси в камере испарения установлен наполнитель в виде пакета пластин из пористого материала.

Использование данного увлажнителя дыхательных смесей в широкой медицинской практике выявило ряд существенных конструктивных и эксплуатационных недостатков, которые обуславливают необходимость усовершенствования увлажнителя. В частности:

- отсутствие нагревателя дыхательной смеси в подающем шланге и повышение температуры проходящей через резервуар увлажнителя дыхательной смеси только за счет теплопередачи от находящейся в резервуаре воды и пакета пластин вызывает необходимость существенного нагрева воды для компенсации потерь тепла в окружающую среду при прохождении смеси по подающему шлангу, что приводит к быстрому накоплению в подающем шланге конденсата воды и необходимости (во избежание попадания воды в легкие пациента) частого периодического его удаления из специальных влагосборников, устанавливаемых на шланге. Это снижает эффективность, безопасность применения увлажнителя и удобство его использования, а степень нагрева воды в указанном увлажнителе требует повышенного расхода электроэнергии;

- увеличение в процессе эксплуатации расхода дыхательной смеси, проходящей через увлажнитель (например, во время ИВЛ увеличение минутной вентиляции пациента), может вызвать опасное для пациента повышение температуры на выходе подающего шланга за счет большой теплоемкости нагретой в резервуаре воды.

Настоящее изобретение решает задачу повышения безопасности и удобства использования увлажнителя.

Решение поставленной задачи достигается совокупностью новых конструктивных и схемотехнических решений, реализованных в патентуемом увлажнителе.

В увлажнителе дыхательной смеси, аналогичном конструкции, описанной в авторском свидетельстве №768402, содержащем камеру испарения с входным и выходным патрубком для дыхательной смеси, в полости которой установлен испаряющий вкладыш, нагреватель воды под ее дном, подающий шланг, на выходе которого установлен датчик температуры дыхательной смеси, источник электропитания и блок управления, включающий канал регулирования температуры дыхательной смеси, согласно настоящему изобретению камера испарения выполнена из прозрачного полимерного материала с металлическим дном, под которым установлен плоский нагреватель воды, а в качестве испаряющего вкладыша в полости камеры установлен спиральный воздуховод, выполненный из пористого металла.

Изобретением предусмотрено, что увлажнитель содержит нагреватель дыхательной смеси, размещенный внутри подающего шланга, на выходе которого установлены конструктивно объединенные датчик температуры дыхательной смеси и датчик влажности дыхательной смеси.

Согласно изобретению блок управления дополнительно содержит канал регулирования влагосодержания дыхательной смеси и микроконтроллер. При этом изобретением предусмотрено, что первый, второй и третий выходы источника электропитания подключены соответственно к первому входу канала регулирования температуры дыхательной смеси, к первому входу канала регулирования влагосодержания дыхательной смеси и входу микроконтроллера. Первый выход микроконтроллера соединен с третьим входом канала регулирования температуры дыхательной смеси, выход которого соединен с входом нагревателя дыхательной смеси, а второй вход подключен к датчику температуры дыхательной смеси. Второй выход микропроцессора подключен к третьему входу канала регулирования влагосодержания дыхательной смеси, выход которого подключен к нагревателю воды, а второй вход соединен с датчиком влажности дыхательной смеси.

Технический результат патентуемого изобретения заключается в следующем:

- обеспечение регулирования влагосодержания дыхательной смеси позволяет во всем диапазоне температур на выходе подающего шланга и при потоках дыхательной смеси до 50 л/мин поддерживать 100%-ную относительную влажность дыхательной смеси, что существенно снижает возможность накопления конденсата в подающем шланге, повышает эффективность увлажнения и безопасность пациента;

- применение в испарительной камере (резервуаре) спирального воздуховода и выполнение его из пористого металла позволяет обеспечить полное насыщение влагой проходящего через увлажнитель газа во всем используемом диапазоне потоков;

- хорошая теплопроводность контактирующего с нагреваемой водой спирального металлического воздуховода позволяет существенно снизить степень необходимого нагрева воды в резервуаре, что обуславливает повышение экономичности, безопасности и удобства использования увлажнителя в медицинской практике.

Сущность изобретения поясняется описанием примера конструктивной реализации патентуемого увлажнителя и чертежами, на которых представлено:

фиг.1 - структурная схема увлажнителя;

фиг.2 - укрупненная блок-схема алгоритма работы увлажнителя.

Патентуемый увлажнитель дыхательных смесей содержит (фиг.1) резервуар (камеру испарения) 1, под дном которого смонтирован нагреватель 2 воды. Для подачи дыхательной смеси пациенту в верхней части резервуара 1 установлен входной патрубок 3 и выходной патрубок 4, а внутри резервуара на пути потока дыхательной смеси от входного 3 до выходного 4 патрубка установлен испаряющий вкладыш, выполненный в виде спирального воздуховода 5.

Спиральный воздуховод 5 выполнен из листа пористой нержавеющей стали толщиной 0,4-0,5 мм. Разработанная конструкция воздуховода 5 позволяет повысить эффективность насыщения влагой проходящего через увлажнитель газа и снизить степень нагрева воды.

Увлажнитель дыхательной смеси содержит источник 14 электропитания (ИП) и блок управления 6, в состав которого входит канал 7 регулирования температуры дыхательной смеси (КРТ), канал 8 регулирования влагосодержания дыхательной смеси (КРВ) и микроконтроллер (МК) 9. Первый, второй и третий выходы ИП 14 подключены соответственно к первому вход КРТ, первому входу КРВ и входу МК 9. Первый и второй выходы МК 9 подключены соответственно к третьим входам КРТ 7 и КРВ 8.

Микроконтроллер 9, входящий в состав блока 6 управления, может быть реализован на основе 8-разрядного микроконтроллера семейства AVR фирмы ATMEL (США) ATMEGA 128-16AT (см., например, техническую документацию и программное обеспечение заявителя на увлажнитель дыхательной смеси АФИН.943142.006 ЭЗ).

Схемотехнически КРТ 7 и КРВ 8 могут быть реализованы на основе преобразователей (датчиков) температуры и влажности в виде цепей, включающих в себя соответствующий датчик, усилительную часть и аналого-цифровой преобразователь, формирующий цифровые коды измеренных значений температуры и влажности, поступающие на вход микроконтроллера, который по заданному алгоритму работы осуществляет управление исполнительными элементами (нагревателями дыхательной смеси и воды).

Необходимо отметить, что специалисты, работающие в области наркозно-дыхательной аппаратуры, располагают соответствующими знаниями о наличии многообразных конкретных технических средств для конечной реализации каждого узла и блока увлажнителей дыхательных смесей. Таким образом, конкретная техническая реализация отдельных узлов и блоков настоящего увлажнителя не представляет труда для специалистов, поскольку вытекает из уровня техники на основе практических данных и включает в себя известные стандартные элементы и компоненты. При этом техническая сущность патентуемого увлажнителя дыхательных смесей не затрагивает этих вопросов, в силу чего более подробное раскрытие всех элементов устройства является информационно избыточным и нецелесообразным.

Канал регулирования температуры дыхательной смеси 7 обеспечивает измерение температуры дыхательной смеси на выходе подающего шланга 10 в диапазоне от 25 до 45°С с погрешностью, не превышающей ±1°С, а также поддержание с указанной погрешностью заданного значения температуры дыхательной смеси в диапазоне от 28 до 38°С. Исполнительным элементом КРТ является нагреватель 11 дыхательной смеси, выполненный из гибкого нагревательного провода, например, марки ПНКМ ТУ16-КВО-05-89. Выход канала 7 подключен к входу нагревателя 11.

Канал регулирования влагосодержания дыхательной смеси 8 обеспечивает на выходе подающего шланга 10 поддержание относительной влажности дыхательной смеси близкой к состоянию насыщения (100%) во всем диапазоне температур и потоков газа через увлажнитель.

Чувствительным преобразователем КРВ является датчик 12 влажности, конструктивно объединенный в одном блоке с датчиком 13 температуры канала 7 регулирования температуры дыхательной смеси (например, датчик температуры и влажности SHT71 фирмы SENSIRION, Швейцария). Выход датчика 13 подключен к второму входу КРТ 7.

Исполнительным элементом КРВ 8 является плоский нагреватель 2 воды, нагревающий воду в резервуаре увлажнителя за счет теплопередачи через металлическое дно резервуара 1. Выход канала 8 подключен к входу нагревателя 2 воды. Степень нагрева воды в резервуаре 1 контролируется датчиком 12 влажности (выход датчика 12 подключен к второму входу КРВ), формирующим сигнал на выключение нагревателя 2 воды при достижении насыщения влагой дыхательной смеси на выходе подающего шланга 10.

Резервуар 1 увлажнителя дыхательной смеси выполнен из прозрачного полимерного материала (например, поликарбоната) с металлическим дном (например, из латуни).

На боковой стенке резервуаре 1 расположены отметки максимального и минимального уровня заливки воды.

На лицевой панели блока 6 управления расположены (на фиг.1 не показаны): цифровое табло значений температуры; кнопки выбора значений задаваемой температуры; переключатель порогового уровня датчика 12 влажности для поддержания относительной влажности 75%; сетевой выключатель с индикатором включения напряжения; звуковые и визуальные элементы системы сигнализации, которые срабатывают при нарушении режимов работы и в аварийных ситуациях. Визуальные и звуковые характеристики сигналов опасности соответствуют требованиям ГОСТ Р ИСО 9703. 1-99 и ГОСТ Р ИСО 9703. 2-99 «Сигналы опасности для анестезии и ИВЛ. Части 1 и 2».

Увлажнитель дыхательных смесей работает следующим образом.

Дыхательная смесь поступает в заполненный водой резервуар 1 через входной патрубок 3, проходит над поверхностью воды по спиральному воздуховоду (испаряющему вкладышу) 5 к выходному патрубку 4 и далее в присоединенный к нему подающий шланг 10.

Увеличение влагосодержания дыхательной смеси, поступающей в легкие пациента, достигается как повышением температуры смеси в результате ее контакта с нагретой в резервуаре 1 водой, так и наличием частично погруженного в воду испаряющего вкладыша 5 из пористого металла, выполненного в виде спирального воздуховода, обеспечивающего повышение испарения и отдачи тепла от воды проходящему потоку смеси. Вода нагревается плоским нагревателем 2 за счет теплопередачи через металлическое дно резервуара 1.

Относительная влажность дыхательной смеси измеряется входящим в канал 8 регулирования влагосодержания дыхательной смеси (КРВ) датчиком 12 влажности, расположенным на выходе смеси из шланга 10, и преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал после сравнения в КРВ с пороговым уровнем, соответствующим заданной относительной влажности (100 или 75%), поступает на микроконтроллер 9 блока 6 управления, формирующий команду на включение или выключение нагревателя 2 воды (фиг.2), обеспечивая таким образом поддержание температуры воды в резервуаре 1 и, следовательно, интенсивность испарения для достижения необходимого уровня влагосодержания дыхательной смеси.

Дыхательная смесь, проходя по подающему шлангу 10, нагревается гибким нагревателем 11. Температура смеси измеряется входящим в канал регулирования температуры дыхательной смеси (КРТ) 7 датчиком 13 температуры, расположенным на выходе газа из подающего шланга 10 и конструктивно объединенным с датчиком 12 влажности. Измеренная (в диапазоне от 25 до 45°С) температура преобразуется в электрический сигнал для индикации ее значения на цифровом табло. Кроме того, этот сигнал после сравнения в КРТ с пороговым уровнем, соответствующим заданному значению температуры (от 28 до 38°С), поступает на микроконтроллер 9 блока 6 управления, формирующий по программе работы команду на включение или выключение гибкого нагревателя 11, обеспечивая поддержание температуры смеси на выходе из шланга 10 (фиг.2).

Таким образом, блок 6 управления обеспечивает автоматическое поддержание заданных значений температуры и влажности дыхательной смеси на выходе из подающего шланга (у пациента).

Испытания разработанного увлажнителя дыхательных смесей показали его высокие эксплуатационные характеристики. Апробация опытных образцов увлажнителя подтверждает, что конструкция увлажнителя обеспечивает:

- повышение эффективности насыщения парами воды потока дыхательной смеси, проходящего по пористому спиральному воздуховоду в массообменной камере, за счет увеличения поверхности испарения, а выполнение воздуховода из пористого металла увеличивает отдачу тепла от нагретой воды в газовый поток, снижая тем самым степень нагрева воды в камере и повышая безопасность и экономичность работы увлажнителя;

- повышение безопасности пациента, обусловленное исключением возможности опасного повышения температуры дыхательной смеси на выходе подающего шланга при резком изменении вентиляции пациента;

- повышение удобства использования увлажнителя, обусловленное автоматическим поддержанием на выходе из шланга состояния насыщения дыхательной смеси во всем рабочем диапазоне температур и потоков, исключая образование конденсата воды в шланге.