RU218907U1 - Аппарат жидкостного дыхания замкнутого типа в условиях изменяющегося гипербарического давления окружающей среды - Google Patents

Abstract

Полезная модель аппарата относится к медицинской технике, в частности к аппаратам и устройствам для осуществления искусственного жидкостного дыхания, и может найти применение в исследовательских целях и в лечебной практике, например, для осуществления дыхания человека в реанимационный период, а также при аварийном спасении при эвакуации человека с больших глубин. Цель предлагаемого технического решения - расширение функциональных возможностей оборудования для жидкостного дыхания путем принудительной циркуляции через дыхательные органы биообъекта с попутным удалением растворенного углекислого газа и насыщением кислородом дыхательной жидкости с требуемым давлением, расходом и объемом в условиях изменяющегося гипербарического давления окружающей газовой или жидкой среды и улучшение его эксплуатационных характеристик, в частности, увеличение растворимости кислорода в дыхательной жидкости до концентрации, необходимой для жизнедеятельности биообъекта за время его вдоха выдоха и до состояния идеального раствора. Технический результат достигается путем выполнения системы циркуляции дыхательной жидкости замкнутой, содержащей линии вдоха и выдоха, с постоянным контролем параметров находящейся в них дыхательной жидкости давления, расхода и температуры, определяющих работу входящих в состав системы функциональных элементов - электромагнитных распределителей, оксигенатора со смесителем, насосов, дозатора кислорода. Оксигенатор насыщает дыхательную жидкость кислородом при пролете мелкодисперсных частиц ее в газовой кислородной среде с последующим стеканием по стенкам оксигенатора. Два дозирующих насоса при оксигенации подают необходимое для жизнедеятельности количество дыхательной жидкости. Повторитель давления при повышающемся давлении и повторитель давления при понижающемся давлении при оксигенации адаптируют аппарат к изменению давления окружающей среды.

Description

Полезная модель аппарата относится к медицинской технике, в частности к аппаратам и устройствам для осуществления искусственного жидкостного дыхания, и может найти применение в исследовательских целях и в лечебной практике, например, для осуществления дыхания человека в реанимационный период, а также при аварийном спасении при эвакуации человека с больших глубин.

Известен аппарат жидкостного дыхания (А.с. СССР №764677, МПК А61Н 31/02), содержащий дозировочный насос с приводом и блоком управления, поглотитель углекислоты (регенератор), оксигенатор с основным и сообщающимся с атмосферой дополнительным сильфоном, емкость для рабочей жидкости и переменный дроссель, соединенный через электромагнитные клапаны (распределители) с входом и выходом дозировочного насоса и с основным сильфоном огксигенатора, причем вход дозировочного насоса связан с присоединительным к легким элементом, отсекающим линию вдоха от линии выдоха.

Известен также 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 (ДЖ). 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.

Известен аппарат вентиляции легких жидкостью (Патент RU №2732639 С1, МПК А61Н 31/00, МПК А61Н 16/00), содержащий мембранный насос, бак накопитель для дыхательной жидкости с оксигенатором и термостатом, автоматические электромагнитные пропорциональные клапаны, блок управления и систему циркуляции дыхательной жидкости. В процессе функционирования устройства мембранный насос работает постоянно, а управление динамическим перераспределением дыхательной жидкости между баком-накопителем для дыхательной жидкости с оксигенатором и термостатом и легкими происходит за счет открывания/закрывания автоматических электромагнитных пропорциональных клапанов блоком управления.

Реализуемые с помощью данных аппаратов процессы искусственного (принудительного) жидкостного дыхания осуществимы лишь в условиях нормобарии, т.е. при нормальном атмосферном давлении, и не могут быть применены, как и сами аппараты, в условиях гипербарии для принудительного жидкостного дыхания, т.е. когда легкие биологического объекта находятся под изменяющимся высоким (гипербарическим) внешним давлением окружающей водной или газовой среды, которое, с целью предотвращения их баротравмы и повреждения (поломки) элементов аппарата, должно уравновешиваться автоматически изменяющимся давлением ДЖ в изолированных от прямого контакта с внешней средой полостях элементов аппарата и подаваемой в легкие под таким же давлением.

Приведенные аналоги выполнить это условие не могут, так как в их составе, во-первых, отсутствуют функциональные конструктивные элементы, способные реагировать на изменяющееся внешнее давление и вызывать пропорциональное изменение давления ДЖ в полостях аппаратов, уравновешивающего внешнее давление, во-вторых, полости ряда входящих в их состав функциональных элементов, таких, например, как емкости для управляющей и рабочей жидкости, оксигенаторы, пульсирующие насосы, дозаторы и др., выполнены открытыми, т.е. находящаяся в них рабочая среда взаимодействует с окружающей газовой средой в виде атмосферного воздуха под нормальным постоянным давлением, и делает аппараты не пригодными для использования в окружающей водной среде, а в-третьих, их открытое исполнение приводит к значительным потерям кислорода, находящегося в дыхательной жидкости.

В качестве прототипа выбрана полезная модель «Индивидуальный аппарат жидкостного дыхания в условиях гипербарии замкнутого типа» (Патент RU №215479, МПК А61М 16/00), содержащий насосы в линии вдоха и выдоха, распределительные устройства с электромагнитным управлением, регенератор углекислого газа, оксигенатор, емкость для дыхательной жидкости с упругим дном, баллон сжатого кислорода, датчики давления, расхода и концентрации кислорода, и блок управления.

Основным недостатком аппарата является принцип обогащения дыхательной жидкости кислородом.

Поскольку обогащение дыхательной жидкости кислородом осуществляется путем подачи кислорода в дыхательную жидкость в виде пузырьков с последующим их механическим измельчением, то пузырьки не успевают раствориться за время вдоха - выдоха и попадают, а затем в легкие биообъекта, что приводит к значительно меньшему контакту альвеол легких с молекулярно растворенным в дыхательной жидкости кислородом и, в конечном итоге, к удушью.

Цель предлагаемого технического решения - расширение функциональных возможностей оборудования для жидкостного дыхания путем принудительной циркуляции через дыхательные органы биообъекта с попутным удалением растворенного углекислого газа и насыщением кислородом дыхательной жидкости с требуемым давлением, расходом и объемом в условиях изменяющегося гипербарического давления окружающей газовой или жидкой среды и улучшение его эксплуатационных характеристик, в частности увеличение растворимости кислорода в дыхательной жидкости до концентрации, необходимой для жизнедеятельности биообъекта за время его вдоха - выдоха и до состояния истинного раствора.

Достижение поставленной цели осуществляется за счет того, что в аппарате жидкостного дыхания замкнутого типа в условиях изменяющегося гипербарического давления окружающей среды, содержится замкнутая система циркуляции дыхательной жидкости, которая включает линии вдоха и выдоха с насосами, электромагнитными клапанами и устройствами для измерения параметров жидкости и кислорода, подключенными к блоку управления, дыхательную камеру на входе в трубопровод линии вдоха, оксигенатор, регенератор углекислого газа, фильтр и баллон сжатого кислорода с регулятором давления. Оксигенатор имеет сферический корпус с датчиком уровня дыхательной жидкости, находящейся в нижней части его полости, соединенной трубопроводом с входом откачивающего перистальтического насоса, выход которого соединен с трубопроводом, соединяющим выход трубопровода линии выдоха с входом в дыхательную камеру, с которым также с помощью трубопровода со встроенным регулируемым дросселем соединен вход нагнетающего перистальтического насоса, а выход соединен с форсункой для распыления дыхательной жидкости, установленной в верхней части полости корпуса выше уровня дыхательной жидкости, соединенной посредством двух отверстий в корпусе и двух трубопроводов с полостями выходного давления повторителей повышающегося и понижающегося давления окружающей среды с корпусами цилиндрической формы, расположенными между отделяющими их, с одной стороны, от соосно расположенных полостей задающего давления круглыми упругими гофрированными мембранами с закрепленными в центре штоками с тарельчатыми клапанами на концах, а с другой стороны, отделенных с помощью клапанных перегородок с центральными отверстиями под седла клапанов, от напорной полости повторителя повышающегося давления, соединенной трубопроводом со встроенным автоматическим регулятором давления кислорода с баллоном сжатого кислорода, и от полости сброса давления повторителя понижающегося давления, при этом клапан повторителя повышающегося давления размещен в его напорной полости, клапан повторителя понижающегося давления размещен в полости выходного давления, а полости задающего давления обоих повторителей и полость сброса давления повторителя понижающегося давления соединены трубопроводами между собой и с окружающей средой.

Сравнительный анализ заявленного технического решения с аналогами и прототипом показывает следующее.

Во-первых, наличие аппарата оксигенатора, в котором происходит обогащение кислородом дыхательной жидкости при пролете мелкодисперсных частиц ее в газовой кислородной среде с последующим стеканием по стенкам оксигенатора, позволяет получить истинный безпузырьковый раствор, обеспечивая наилучший контакт молекул кислорода с легкими биообъекта.

Во-вторых, время насыщение дыхательной жидкости кислородом минимизируется, так как происходит за время пролета частиц жидкости от форсунки до стенки оксигенатора.

В-третьих, наличие в составе аппарата дозирующих насосов при оксигенации позволяет подавать необходимое количество дыхательной жидкости, предотвращая удушье и отравление избытком кислорода.

В-четвертых, наличие в составе аппарата повторителей давления окружающей среды позволяет избежать поломки оборудования при подаче кислорода под избыточным давлением из баллона и, в конечном итоге, к баротравме.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема аппарата жидкостного дыхания замкнутого типа в условиях изменяющегося гипербарического давления окружающей среды.

Индивидуальный аппарат разработан на основе замкнутой системы циркуляции дыхательной жидкости, включающей линии вдоха и выдоха, связанные с оксигенатором 1, выполненном в виде сферической камеры (фиг. 1) с датчиком уровня дыхательной жидкости 2, вход в которую для дыхательной жидкости соединен с трубопроводом 3 линии выдоха с последовательно встроенными в него нагнетающим перистальтическим насосом 4, дросселем 5, фильтром 6, регенератором углекислого газа 7, насосом линии выдоха 8 с переливным клапаном 9, датчиком расхода 10, дифференциальным датчиком давления 11 и отсечным электромагнитным клапаном (2/2 - гидрораспределителем с электромагнитным управлением) 12.

Выход для дыхательной жидкости из камеры оксигенатора соединен трубопроводом 13 с откачивающим перистальтическим насосом 14, который, в свою очередь, трубопроводом 15 соединен через трубопровод 16 с линией выдоха и с входом в полость цилиндрической дыхательной камеры 17, снабженной датчиками температуры 18, давления дыхательной жидкости 19 и концентрации кислорода 20. Возле торца 21 камеры, выполненного жестким, расположен электрический термостат 22, другой торец камеры выполнен в виде упругой гофрированной мембраны 23, являющейся компенсатором давления.

В центре полости дыхательной камеры расположен заборник 24 дыхательной жидкости, закрепленный на конце трубопровода 25 линии вдоха с параллельно встроенными в него основным и вспомогательным насосами 26 и 27 линии вдоха, соответственно, датчиком расхода 28 и дифференциальным датчиком давления жидкости 29, переливным клапаном 30 и отсечным электромагнитным клапаном 31.

В полости сферической камеры оксигенатора выше уровня дыхательной жидкости соосно установлена форсунка для распыления дыхательной жидкости 32 так, чтобы факел дыхательной жидкости после форсунки попадал на верхний купол сферы оксигенатора. Верхняя часть полости оксигенатора соединена трубопроводом 33 с полостью выходного давления 34 повторителя повышающегося давления 35 окружающей среды, в котором полость выходного давления отделена сверху от полости задающего давления 36 круглой гофрированной мембраной 37 и от напорной полости 38 клапанной перегородкой 39. Полость задающего давления соединена с окружающей средой. Мембрана соединена штоком 40 с тарельчатым клапаном 41, расположенным в напорной полости, которая соединена трубопроводом 42 через регулятор давления кислорода 43 с кислородным баллоном 44, снабженного датчиком давления кислорода 45. Также верхняя часть полости оксигенатора соединена трубопроводом 46 с полостью выходного давления 47 повторителя понижающегося давления 48 окружающей среды, в котором полость выходного давления отделена сверху от полости задающего давления 49 круглой гофрированной мембраной 50 и от полости сброса давления 51 клапанной перегородкой 52. Полость задающего давления и полость сброса давления соединены с окружающей средой. Мембрана соединена штоком 53 с тарельчатым клапаном 54, расположенным в полости выходного давления.

Выход 55 трубопровода линии вдоха и вход 56 трубопровода линии выдоха соединены между собой и с переходником 57 эндотрахеальной (интубационной) трубки (на фиг. не показана).

Датчик уровня дыхательной жидкости 2, нагнетающий перистальтический насос 4, насос 8 линии выдоха, датчик расхода 10, дифференциальный датчик давления 11, отсечной клапан 12, откачивающий перистальтический насос 14, датчики температуры 18, давления дыхательной жидкости 19, концентрации кислорода 20, термостат 22, насосы 26 и 27 линии вдоха, датчик расхода 28, дифференциальный датчик расхода жидкости 29, отсечной клапан 31, датчик давления кислорода 45 электрически соединены с блоком управления, который на фиг. 1 не показан.

Аппарат жидкостного дыхания работает следующим образом.

Перед началом работы аппарата все полости замкнутой системы циркуляции дыхательной жидкости заполняются, например, перфторуглеродом.

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 вводится эндотрахеальная трубка, установленная в переходнике 57. Отсечные клапаны 12, и 31 закрыты. С помощью регулятора давления 43 устанавливается давление кислорода в трубопроводе 44, превышающее на 0,8 МПа давление окружающей среды (газовой или жидкой).

Фаза вдоха реализуется при закрытом отсечном клапане 12 и выключенном насосе 8 линии выдоха. Блоком управления включаются насосы 26 и 27 линии вдоха и открывается отсечной клапан 31. Жидкость из полости дыхательной камеры 17 поступает через заборник 24 по трубопроводу 25 к его выходу 55 и далее к переходнику 57 эндотрахеальной трубки. Поскольку продолжительность фазы вдоха в два раза меньше продолжительности фазы выдоха, а производительность насосов 8, 26 и 27 одинаковая, использование в линии вдоха двух насосов 26 и 27 обеспечивает равенство объемов жидкости, перекачиваемой по линиям вдоха и выдоха.

Фаза выдоха реализуется при закрытом отсечном клапане 31, выключенных насосах 26 и 27 линии вдоха. Блоком управления включается насос 8 линии выдоха, открывается отсечной клапан 12. Откачиваемая из легких жидкость поступает через регенератор углекислого газа 7 в фильтр 6. Затем поток жидкости раздваивается. Основной поток с удаленным регенератором углекислого газом по трубопроводу 16 поступает в дыхательную камеру 17. Второй поток через дроссель 5, ограничивающий поток, поступает в нагнетающий перистальтический насос 4, который включается блоком управления, выполняет функцию дозатора и повышает давление дыхательной жидкости на 0,25 МПа. После перистальтического насоса 4 жидкость по трубопроводу 3 поступает на форсунку 32, установленной в полости корпуса оксигенатора 1, в котором при пролете в кислородной среде жидкости в виде мелкодисперсного факела происходит ее обогащение кислородом, подаваемого по трубопроводу 33 из полости выходного давления 34 повторителя повышающегося давления 35 окружающей среды. Повторитель повышающегося давления служит для поддержания давления кислорода в верхней части полости оксигенатора, равным давлению окружающей среды при повышении давления окружающей среды, например, при погружении на глубину. При этом полость задающего давления 36 соединяется с окружающей средой и при превышении давления окружающей среды над давлением в полости задающего давления мембрана 37 прогибается, и через шток 40 отжимает тарельчатый клапан 41 от седла в клапанной перегородке 39, кислород из напорной камеры 38 поступает в полость выходного давления и из нее в оксигенатор. При выравнивании давлений над мембраной и под мембраной тарельчатый клапан садится на седло, прекращая поступление кислорода. Кислород в нагнетающую полость поступает из редуктора давления 43, в который в свою очередь кислород поступает из кислородного баллона 44, причем редуктор поддерживает давление кислорода на 0,8 МПа выше давления окружающей среды. Также верхняя часть полости оксигенатора через трубопровод 46 соединяется с полостью выходного давления 47 повторителя понижающегося давления 48 окружающей среды. Повторитель понижающегося давления служит для поддержания давления кислорода в верхней части полости оксигенатора, равным давлению окружающей среды при понижении давления окружающей среды, например, при всплытии с глубины. При этом полость задающего давления 49 соединяется с окружающей средой, и при превышении давления в полости задающего давления над давлением окружающей среды мембрана 50 выгибается и через шток 53 отжимает тарельчатый клапан 54 от седла в клапанной перегородке 52, и кислород из камеры задающего давления и из оксигенатора выходит в окружающую среду. При выравнивании давлений над мембраной и под мембраной тарельчатый клапан садится на седло, прекращая истечение кислорода.

Обогащенная кислородом жидкость по стенкам оксигенатора стекает в его нижнюю часть, а затем поступает из оксигенатора по трубопроводу 13 в откачивающий перистальтический насос 14, который синхронизирован блоком управления с работой нагнетающего перистальтического насоса 4 (количество оборотов обоих насосов равно, и поэтому количество подаваемой жидкости в оксигенатор равно количеству исходящей). Дозирование кислорода, которое необходимо во избежание отравления от переизбытка и удушья от недостатка кислорода, осуществляется длительностью включением перистальтических насосов блоком управления по данным датчика концентрации кислорода 20. Датчик концентрации кислорода, датчики давления, датчики расхода, датчик температуры и датчик уровня дыхательной жидкости являются устройствами для измерения параметров давления жидкости и кислорода и блок управления на основании данных с этих устройств выдает управляющие команды на насосы и отсечные клапана.

При восполнении объема жидкости, затраченной ранее для вдоха, приток дыхательной жидкости в дыхательную камеру вызывает деформацию мембраны 23, которая одновременно является компенсатором давления, выравнивая давление жидкости в камере и давление окружающей среды, которое контролируется блоком управления с помощью датчика давления 19. Блок управления с помощью дифференциального датчика давления 29 контролирует избыточное давление жидкости, поступающей к эндотрахеальной трубке, т.е. датчик 29 является датчиком безопасности, предохраняющим легкие биообъекта от баротравмы. Переливной клапан 30 устраняет превышение давления жидкости в линии вдоха. Датчик расхода 28 определяет необходимое количество жидкости, подаваемой на вдох. Блок управления с помощью дифференциального датчика давления 11 контролирует уровень разрежения в линии выдоха, предохраняя легкие биообъекта от баротравмы, вызванной разрежением. Переливной клапан 9 обеспечивает возврат жидкости к входу насоса 8 линии выдоха, также способствуя устранению баротравмы легких от разрежения. Датчик расхода 10 определяет количество жидкости, поступающей в линию выдоха, и по его показаниям блок управления управляет работой насоса 8 линии выдоха и отсечного клапана 12.

Заданную температуру дыхательной жидкости поддерживает электрический термостат 22, управление которым осуществляется блоком управления с помощью датчика температуры 18.

Датчик уровня 2 необходим для предотвращения попадания газообразного кислорода в линию вдоха. По его данным блок управления управляет количеством оборотов каждого из перистальтических насосов 4 и 14.

Датчик 45 служит для контроля количества кислорода в кислородном баллоне 44.

Claims (1)

1. Аппарат жидкостного дыхания замкнутого типа в условиях изменяющегося гипербарического давления окружающей среды, содержащий замкнутую систему циркуляции дыхательной жидкости, включающую линии вдоха и выдоха с насосами, электромагнитными клапанами и устройствами для измерения параметров жидкости и кислорода, подключенными к блоку управления, дыхательную камеру на входе в трубопровод линии вдоха, оксигенатор, регенератор углекислого газа, фильтр и баллон сжатого кислорода с регулятором давления, отличающийся тем, что оксигенатор имеет сферический корпус с датчиком уровня дыхательной жидкости, находящейся в нижней части его полости, соединенной трубопроводом со входом откачивающего перистальтического насоса, выход которого соединен с трубопроводом, соединяющим выход трубопровода линии выдоха со входом в дыхательную камеру, с которым также с помощью трубопровода со встроенным регулируемым дросселем соединен вход нагнетающего перистальтического насоса, а выход соединен с форсункой для распыления дыхательной жидкости, установленной в верхней части полости корпуса выше уровня дыхательной жидкости, соединенной посредством двух отверстий в корпусе и двух трубопроводов с полостями выходного давления повторителей повышающегося и понижающегося давления окружающей среды с корпусами цилиндрической формы, расположенными между отделяющими их, с одной стороны, от соосно расположенных полостей задающего давления круглыми упругими гофрированными мембранами с закрепленными в центре штоками с тарельчатыми клапанами на концах, а с другой стороны, отделенных с помощью клапанных перегородок с центральными отверстиями под седла клапанов, от напорной полости повторителя повышающегося давления, соединенной трубопроводом со встроенным автоматическим регулятором давления кислорода с баллоном сжатого кислорода, и от полости сброса давления повторителя понижающегося давления, при этом клапан повторителя повышающегося давления размещен в его напорной полости, клапан повторителя понижающегося давления размещен в полости выходного давления, а полости задающего давления обоих повторителей и полость сброса давления повторителя понижающегося давления соединены трубопроводами между собой и с окружающей средой.

Images