PL221385B1 - Intubacyjny czujnik ciśnienia - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest intubacyjny czujnik ciśnienia przeznaczony do pomiaru ciśnienia w drogach oddechowych pacjenta.

Szczególne znaczenie ma pomiar przeprowadzony w okolicach wylotu rurki intubacyjnej, stosowanej podczas terapii respiratorowej, zarówno przy wentylacji płuc w trybie wymuszonym, jak i podczas wspomagania naturalnego oddechu pacjenta. Należy podkreślić, iż wymagania funkcjonalne stawiane tego rodzaju czujnikom są wyjątkowo wysokie. Dotyczy to zarówno czułości i dokładności pomiarowej, jak i odporności na oddziaływania agresywnego środowiska pracy, jakie tworzą zjonizowane wilgotne wydzieliny tkanki płucnej. Zwłaszcza wysoka, długookresowa (wielomiesięczna) stabilność pomiarowa jest wymogiem metrologicznym trudnym do spełnienia przy założeniu koniecznej miniaturyzacji czujnika. Zewnętrzna średnica czujnika nie powinna bowiem być większa od 3 mm.

Znane są różne rozwiązania czujników przeznaczonych do pomiaru ciśnienia w drogach oddechowych pacjenta. W większości z nich przyjmuje się tę samą generalną zasadę pomiarową polegającą na pomiarze odkształcania elementu sprężystego, zwykle w postaci membrany (niklowej, kwarcowej itp.), powstającego w wyniku działania ciśnienia mierzonego. Różnice rozwiązań sprowadzają się do różnego ukształtowania elementu pomiarowego i różnej metody pomiaru tego odkształcania, na przykład metodami pojemnościowymi, tensometrycznymi (najczęściej są stosowane mostki piezorezystancyjne) lub interferometrycznymi (światłowodowe interferometry laserowe). Główna trudność konstrukcyjna polega w tym przypadku na konieczności pogodzenia sprzecznych wymagań; z jednej strony dążenia do uzyskania dużej czułości pomiarowej przy zachowaniu miniaturowych gabarytów czujnika, co prowadzi do stosowania bardzo elastycznych i cienkich elementów sprężystych, a z drugiej strony zapewnienia odporności czujnika na oddziaływanie środowiska przy jednoczesnym zachowaniu małej histerezy sprężystej i małej sztywności elementu pomiarowego.

Nie bez znaczenia jest także wymóg zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego przy stosowaniu elektrycznych metod pomiarowych odkształceń,

Z opisu patentowego US nr 6 315 739 znany jest sposób i urządzenie do pomiaru ciśnienia u wylotu rurki intubacyjnej, w którym do rurki intubacyjnej, u jej wylotu, jest wprowadzona rurka pomiarowa o małej średnicy, doprowadzająca strumień płynu w okolice wylotu rurki intubacyjnej. Strumień ten jest dostarczany przez układ pomiarowy i ma niewielką wartość rzędu ml/min, niezakłócającą procesu sztucznej wentylacji, ale przeciwdziałający zatykaniu wylotu rurki pomiarowej. Po jej stronie wlotowej dokonuje się pomiaru ciśnienia, które od ciśnienia mierzonego w obszarze przy wylocie rurki intubacyjnej różni się o niewielki i prawie stały spadek ciśnienia na rurce pomiarowej, uwzględniony w układzie pomiarowym urządzenia dostarczającego w efekcie sygnału proporcjonalnego do ciśnienia panującego przy wylocie rurki pomiarowej.

Podobną zasadę działania ma system monitorowania ciśnienia u wylotu rurki intubacyjnej (patent US nr 7 051 736 B2), w którym uwzględnia się także zmiany ciśnienia mierzonego u wlotu rurki intubacyjnej, a obróbki sygnałów pomiarowych dokonuje się w układzie mikroprocesorowym .

W obu przedstawionych rozwiązaniach pomiary ciśnień mogą być przeprowadzane za pomocą zwykłych, na przykład piezorezystancyjnych, czujników ciśnienia.

Istnieje szereg rozwiązań układów pomiaru ciśnienia u wylotu rurki intubacyjnej o bardzo podobnej ogólnej zasadzie działania, których cechą podstawową jest użycie rurki pomiarowej o otwartym wylocie, umieszczonym w obszarze wylotowym rurki intubacyjnej. Jej stosowanie wymaga wielkiej staranności, ponieważ obszar wylotu rurki pomiarowej jest, pomimo ciągłego przemywania strumieniem płynu, potencjalnie narażony na osadzanie się zanieczyszczeń (flegma, surfaktanty, itp.) zmieniających opory przepływu. Dlatego są proponowane różne rozwiązania (na przykład patent US nr 8 598 277 B2), aby odseparować fizycznie środowisko tchawicy od obszaru płynowego wewnątrz rurki pomiarowej na przykład za pomocą membran porowatych, które jednak nie dają gwarancji zachowania wymaganej dokładności pomiarowej ciśnienia np. w długotrwałej terapii respiratorowej.

Opisane sposoby i urządzenia pomiarowe muszą ponadto uwzględniać zakłócający wpływ temperatury, zmieniający opory przepływu w rurce pomiarowej związane z lepkością i gęstością płynu.

Zgodnie z wynalazkiem, intubacyjny pneumoelektryczny czujnik ciśnienia charakteryzuje się tym, że zawiera elastyczną, zewnętrzną membranę separującą umocowaną w korpusie tego czujnika i zamykającą komorę pneumatyczną korpusu czujnika, w którym znajduje się dysza pneumatyczna mająca kanał wylotowy umieszczony centralnie w małej, korzystnie bliskiej zeru, odległości od wewnętrznej powierzchni membrany separującej, przy czym w korpusie czujnika znajduje się drugi kanał

PL 221 385 B1 pneumatyczny, którego wlot do komory czujnika jest położony na jej skraju i który łączy się za pośrednictwem pneumatycznego, rezystora z kanałem zasilającym eżektora, podczas gdy końcówka wyjściowa eżektora łączy się kanałem pneumatycznym o korzystnie możliwie małej rezystancji z kanałem dyszy pneumatycznej czujnika, a ponadto korpus czujnika ma dodatkowy otwór, w którym umocowana jest rurka kapilarna łącząca komorę podmembranową czujnika z pierwszym wejściem elektropneumatycznego przetwornika różnicy ciśnień o drugim wejściu łączącym się z atmosfera przy czym wyjściowy kanał podciśnieniowy eżektora pneumatycznego stanowi źródło podciśnienia połączonego z kanałem dyszy pneumatycznej korpusu czujnika.

W korzystnym wykonaniu, korpus czujnika ma związaną z nim sztywno tulejkę ochronną z otworem dolotowym umieszczoną wokół membrany separującej, przy czym krawędź swobodna tulejki ochronnej znajduje się ponad powierzchnią membrany separującej.

W innym korzystnym wykonaniu, kanał łączący końcówkę wyjściową eżektora pneumatycznego z dyszą pneumatyczną czujnika jest otworem rurki sztywno związanej z częścią korpusu czujnika, która jest jednocześnie osłoną umieszczonego w nim rezystora pneumatycznego oraz rurki łączącej komorę podmembranową z końcówką wejściową czujnika pneumoelektrycznego.

Intubacyjny czujnik ciśnienia według wynalazku ma w stosunku do istniejących, innych rozwiązań czujników intubacyjnych szereg zalet, a przede wszystkim:

- część elektryczna układu jest całkowicie fizycznie odseparowana od środowiska dróg oddechowych, co usuwa główne źródło zakłóceń elektrycznych i zwiększa jej długookresową stabilność pomiarową;

- wprowadzenie pneumatycznej separacji części aplikacyjnej czujnika od elektrycznie aktywnej części elektrycznej, umieszczonej poza organizmem intubowanego pacjenta zwiększa bezpieczeństwo pomiarowe.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu czujnika i ilustruje zasadę jego działania, podczas gdy fig. 2 przedstawia korzystne wykonanie części pneumatycznej czujnika, separującej agresywne środowisko pneumatycznej przestrzeni płucnej od czystego, elektrycznie neutralnego środowiska pneumoelektrycznego układu pomiarowego.

Intubacyjny, pneumoelektryczny czujnik ciśnienia zawiera nadciśnieniowe Pzo i podciśnieniowe Pe źródła zasilania pneumatycznego oraz pneumoelektryczny czujnik ciśnienia. Ciśnienie mierzone P_m doprowadza się do zewnętrznej powierzchni membrany separującej 2 intubacyjnego czujnika ciśnienia umocowanej w korpusie 4 tego czujnika, w którym znajduje się dysza pneumatyczna 1 mająca kanał wlotowy umieszczony centralnie w małej, korzystnie bliskiej zeru odległości od wewnętrznej powierzchni membrany separującej 2.

W korpusie czujnika znajduje się także drugi kanał pneumatyczny 6, którego wlot do komory podmembranowej jest położony na jej skraju i który połączony jest za pośrednictwem pneumatycznego rezystora 7 z kanałem zasilającym 17 eżektora 15, w którym panuje ciśnienie Pzo. Z kolei końcówka wyjściowa 14, w której panuje ciśnienie Pe, połączona jest za pośrednictwem kanału pneumatycznego 8 o korzystnie możliwie małej rezystancji z kanałem dyszy pneumatycznej 1 czujnika. Korpus 4 czujnika ma dodatkowy otwór 5, w którym umocowana jest rurka kapilarna 9 łącząca komorę podmembranową czujnika z pierwszym 11 wejściem elektropneumatycznego przetwornika 10 różnicy ciśnień o drugim wejściu 12 łączącym się z atmosferą o ciśnieniu Pa.

Wyjściowy kanał podciśnieniowy 16 eżektora 15 stanowi źródło podciśnieniowego Pe zasilania i połączony jest z kanałem dyszy pneumatycznej 1 korpusu czujnika intubacyjnego 4.

Zasada działania czujnika intubacyjnego według wynalazku jest wyjaśniona na schemacie ideowym pokazanym na fig. 1 rysunku.

Ciśnienie mierzone P_m oddziałuje na bardzo wiotką membranę 2 rozpiętą na korpusie 4. Centralnie w korpusie znajduje się dysza 1 połączona kanałem z końcówką wyjściową 14 eżektora 15, w której panuje podciśnienie Pe wytworzone przez eżektor 15 w jego kanale wyjściowym 16. Komora korpusu zawarta między wewnętrzną powierzchnią membrany 2 i korpusem 4 jest połączona za pomocą rezystora pneumatycznego 7 z kanałem zasilającym 17 eżektora 15. W kanale 17 panuje nadciśnienie P_ZO wytworzone przez stabilizator 18 ciśnienia zasilany ciśnieniem zasilania P_Z.

Z równowagi sił działających na membranę 2 wynika, że ciśnienie P_k pod membraną równa się w przybliżeniu ciśnieniu mierzonemu P_m i różni się od niego o ciśnienie wywołane oddziaływaniem strugi przepływającej przez dyszę 1 korpusu do źródła podciśnienia Pe panującego w końcówce wyj4

PL 221 385 B1 ściowej 14 eżektora 15. Zmiany ciśnienia P_k pod membraną nadążają za zmianami ciśnienia mierzonego Pm.

Należy podkreślić, iż ciśnienie mierzone P_m może przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne w stosunku do ciśnienia atmosferycznego P_a panującego w obszarze poza rurką intubacyjną. Granica rozdziału obszaru wewnątrz i na zewnątrz rurki intubacyjnej jest znaczona na fig. 1 linią przerywaną 20. Obszar pomiarowy w okolicach wylotu rurki intubacyjnej, w którym panuje ciśnienie mierzone P_m oznaczono linią przerywaną 19.

Na figurze 2 przedstawiono przykład wykonania konstrukcji intubacyjnego czujnika ciśnienia.

Tulejka ochronna 3 czujnika, zaopatrzona w otwór doprowadzający ciśnienie mierzone P_m do powierzchni membrany separującej 2, eliminuje potencjalne niebezpieczeństwo niekorzystnego, odkształcającego nacisku tkanki dróg oddechowych pacjenta na krawędź membrany separującej. Aby to zapewnić, górna krawędź tulejki ochronnej 3 znajduje się ponad powierzchnią membrany 2.

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 2 kanał łączący końcówkę wyjściową 14 eżektora 15, w której panuje podciśnienie Pe, z dyszą pneumatyczną 1 czujnika jest otworem rurki 4b, sztywno związanej z częścią korpusu 4a czujnika, która to rurka jest jednocześnie osłoną umieszczonego w niej kapilarnego rezystora pneumatycznego 7.

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 2 wprowadzono dodatkową rurkę kapilarną 9 łączącą komorę podmembranową z elektropneumatycznym czujnikiem ciśnień 10, w którego elektrycznym wyjściu 13 jest wytworzony sygnał elektryczny proporcjonalny do ciśnienia mierzonego P_m.

Przedstawione rozwiązanie czujnika intubacyjnego według wynalazku może mieć szerokie zastosowanie w konstrukcji respiratorów - zwłaszcza przeznaczonych do długotrwałej wentylacji płuc, a także w konstrukcji spirometrów i innych urządzeń służących do pomiaru mechanicznych parametrów płuc, na przykład dla celów diagnostycznych.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Intubacyjny czujnik ciśnienia, zawierający część pneumatyczną i elektryczną, znamienny tym, że zawiera elastyczną, zewnętrzną membranę separującą (2) umocowaną w korpusie (4) tego czujnika i zamykającą komorę pneumatyczną korpusu czujnika, w którym znajduje się dysza pneum atyczna (1) mająca kanał wylotowy umieszczony centralnie w małej, korzystnie bliskiej zeru odległości od wewnętrznej powierzchni membrany separującej (2), przy czym w korpusie (4) czujnika znajduje się drugi kanał pneumatyczny (6), którego wlot do komory czujnika jest położony na jej skraju i który łączy się za pośrednictwem pneumatycznego, rezystora (7) ciśnienia z kanałem zasilającym (17) eżektora (15), podczas gdy końcówka wyjściowa (14) eżektora (15) łączy się kanałem pneumatycznym (8) o korzystnie możliwie małej rezystancji, z kanałem dyszy pneumatycznej (1) czujnika, a ponadto korpus (4) czujnika ma dodatkowy otwór (5), w którym umocowana jest rurka kapilarna (9) łącząca komorę podmembranową czujnika z pierwszym (11) wejściem elektropneumatycznego przetwornika (10) różnicy ciśnień o drugim wejściu (12) łączącym się z atmosfera (Pa), przy czym wyjściowy kanał podciśnieniowy (16) eżektora pneumatycznego (15) stanowi źródło podciśnienia połączonego z kanałem dyszy pneumatycznej (1) korpusu czujnika (4).
2. 2. Intubacyjny czujnik ciśnienia według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że korpus (4) czujnika ma związaną z nim sztywno tulejkę ochronną (3) z otworem dolotowym umieszczoną wokół membrany separującej (2), przy czym krawędź swobodna tulejki ochronnej znajduje się korzystnie ponad p owierzchnią membrany separującej (2).
3. 3. Intubacyjny czujnik ciśnienia według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że kanał łączący końcówkę wyjściową (14) eżektora pneumatycznego (15) z dyszą pneumatyczną (1) czujnika jest otworem rurki (4b) sztywno związanej z częścią korpusu (4a) czujnika, która to rurka jest jednocześnie osłoną umieszczonego w nim rezystora (7) pneumatycznego oraz rurki (9) łączącej komorę podmembranową z końcówką wejściową (11) czujnika pneumoelektrycznego (10).