Устройство для поддержания безопасного давления газа в заданных пределах и экономии использования газа во время процесса газообмена
Изобретение относится к медицине и применяется в оксигенаторах крови. Устройство имеет первый канал с частью стенки в виде газопроницаемой мембраны. Резервуар сообщается с первым каналом и предназначен для содержания кислорода. Первое впускное отверстие предназначено для введения анестезирующего газа непосредственно в первый канал. Резервуар выполнен с возможностью обеспечивать протекание в первый канал кислорода, содержащегося в резервуаре, если давление в первом канале падает ниже давления окружающей среды. Выполнение схемы устройства снижает непроизводительные потери дыхательного газа. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
Данное изобретение касается способа поддержания давления газа в заданных пределах во время процесса газообмена и устройства для реализации способа поддержания давления газа в заданных пределах во время процесса газообмена. Изобретение, в частности, относится к поддержанию давления газа (например, кислорода) в заданных пределах во время насыщения крови кислородом. Данное изобретение также касается рециркуляции потока газа по каналу, содержащему мембрану, при поддержании давления газа, текущего через мембрану, в заданных пределах.
При проведении операции на сердце используемая обычно технология состоит в остановке сердца и использовании механического устройства для прокачивания крови по телу находящегося без сознания пациента, которое также добавляет кислород и удаляет двуокись углерода из крови пациента. Машина, используемая для выполнения этой процедуры, известна как аппарат искусственного кровообращения. Когда операция закончена, пациента отсоединяют от аппарата искусственного кровообращения и восстанавливают нормальное функционирование сердца и легких. Часть этого аппарата, которая добавляет кислород в кровь и удаляет выбрасываемую двуокись углерода из крови, называется оксигенатором.
Оксигенатор общего типа для коммерческого применения включает газопроницаемую мембрану. Газовая смесь, содержащая кислород (обычно смесь азота и кислорода), пропускается вдоль одной стороны мембраны, в то время как кровь пациента пропускается вдоль противоположной стороны мембраны. Кислород диффундирует через мембрану в кровь, а выбрасываемая двуокись углерода диффундирует из крови через мембрану в поток газа. Двуокись углерода затем уносится потоком газа и выпускается в атмосферу.
Система, описанная выше, пригодна для нормального использования, но расточительна в отношении расходования свежих газов, так как поток газа выпускается в атмосферу. В некоторых обстоятельствах в газовом потоке могут быть желательны газы, альтернативные смесям кислород/азот. Такие альтернативы могут, например, включать более дорогие газы, такие как ксенон, который имеет преимущества из-за своих анестезирующих свойств и/или свойств по защите мозга. Использование таких дорогих газов ранее было ограничено из-за экономического ущерба при их выбросе в атмосферу.
Поэтому цель данного изобретения состоит в смягчении описанных выше проблем, свойственных известным средствам.
Следовательно, согласно первому аспекту данного изобретения предлагается способ поддержания давления газа в заданных пределах во время процесса газообмена, который включает:
циркулирование газа в первом канале, имеющем часть стенки, являющуюся газопроницаемой мембраной;
создание возможности газу диффундировать через эту часть стенки во второй канал;
пополнение диффундировавшего газа через по меньшей мере одно впускное отверстие;
создание газу возможности переходить из первого канала в резервуар, содержащий газ, если давление газа превышает заданные пределы давления или газ выходит за пределы заданного объема, и создание газу возможности переходить из резервуара, содержащего газ, в первый канал, если давление в первом канале падает ниже заданных пределов давления или объем газа падает ниже заданного объема, так, чтобы поддерживать давление первого газа в первом канале по существу в заданных пределах.
Особенно предпочтительно, чтобы заданные пределы давления включали давление окружающей среды. Желательно, чтобы первый канал циркуляции имел физический объем, по существу такой же, как заданный объем.
Использование резервуара в способе согласно данному изобретению может допускать возникновение небольших дисбалансов между поглощением и подачей газа в первом канале, по существу без потери свежих газов в атмосфере. Если бы вдруг в первый канал поступил случайно большой излишек свежего газа, то избыточный газ прошел бы в резервуар или даже вышел из конца резервуара, и не создалось бы опасного давления.
Второй канал обычно содержит экстракорпоральный поток крови. Когда второй канал содержит кровь, то предпочтительней, чтобы газ в первом канале содержал кислород. Газ может включать газ, пригодный для использования в качестве анестезирующего средства, например ксенон или другой газ VIII группы периодической таблицы элементов (например, криптон). В альтернативном случае газ может включать любой другой газ, подходящий для использования в качестве средства, защищающего мозг. Предусматривается, что анестезирующий газ и газ, предназначенный для использования в качестве средства, защищающего мозг, могут быть одним и тем же газом.
В предпочтительном случае часть стенки, являющаяся мембраной, представляет собой мембрану оксигенатора. Такая мембрана должна быть по существу инертной по отношению к крови, а также должна быть непроницаемой для крови. Предпочтительней, если часть стенки, являющаяся мембраной, представляет собой газопроницаемую пленку из полимерного материала, например полые волокна микропористого полипропилена, или в альтернативном случае мембрану из силиконового каучука. Однако предусматривается, что может быть использована мембрана любого серийного оксигенатора.
Часть стенки, являющаяся газопроницаемой мембраной, выполнена таким образом, чтобы позволить газу, обычно смеси, содержащей кислород, диффундировать через мембрану из первого канала во второй канал, а второму газу диффундировать через мембрану из второго канала в первый канал. Второй газ обычно включает двуокись углерода. Поэтому предпочтительней включить дополнительный этап, на котором двуокись углерода удаляется из газа, содержащегося в первом канале.
Предпочтительней, если мембрана оксигенатора, через которую происходит газообмен, находится по существу при атмосферном давлении со стороны газа. Если среднее давление газа слишком высоко, то нежелательные пузырьки газа могут продавливаться через мембрану в поток крови. Поэтому предусматривается, что внутренняя поверхность первого канала имеет низкое сопротивление потоку (обычно, благодаря достаточно большому диаметру). В особенно предпочтительном варианте изобретения давление может поддерживаться по существу равным атмосферному давлению посредством расположения резервуара по существу рядом с газопроницаемой мембраной.
Предпочтительней, чтобы циркуляция газа по первому каналу осуществлялась при помощи насоса с электроприводом, например насоса с вибрирующей диафрагмой или малого насоса турбинного типа.
Резервуар может быть открытым на конце каналом, сообщающимся, например, с окружающей атмосферой, или, в альтернативном случае, сосудом переменного объема, например надувным сильфоном, мешком и т.п., изготовленным из подходящего газонепроницаемого эластичного листового материала. Если резервуар является сосудом переменного объема, то предпочтительней, чтобы газ добавлялся в первый канал так, чтобы исключить переполнение или полное опорожнение сосуда от газа.
Предпочтительней, чтобы газ включал смесь из по меньшей мере двух составляющих. Предпочтительней, чтобы для каждой составляющей газа было предусмотрено индивидуальное впускное отверстие. Однако предусмотрено, что каждая составляющая газовой смеси может поступать через одно и то же отверстие.
Газ обычно включает кислород и ксенон. Желательно, чтобы кислород присутствовал в количестве от 0 до 100%, предпочтительней - 30 до 100% (более предпочтительно - 30-80%). Желательно, чтобы ксенон присутствовал в количестве от 0 до 100% (предпочтительней - 0 до 79%, более предпочтительно - 20-70% при использовании ксенона в качестве анестезирующего средства или из-за его нейрозащитных свойств).
Согласно первому варианту данного изобретения каждое впускное отверстие сообщается с первым каналом.
Выгодно, если каждая составляющая газа вводится посредством управляемой инжекции. Управление инжекцией может быть ручным или автоматическим. Поток газов может быть непрерывным или прерывистым.
Согласно второму варианту данного изобретения, первое впускное отверстие сообщается с резервуаром, а второе впускное отверстие сообщается с первым каналом. Обычно через первое впускное отверстие вводится кислород. Предпочтительней, если через второе впускное отверстие вводится ксенон. В этом варианте предпочтительней, чтобы поток кислорода через первое впускное отверстие был непрерывным.
Предпочтительней, если протекание ксенона через второе впускное отверстие осуществляется посредством управляемой инжекции, которая может быть непрерывным или прерывистым процессом.
Второй вариант изобретения имеет преимущество, состоящее в том, что если нового газа не добавляется, вручную или автоматически (например, из-за неисправности), то, чтобы помочь в поддержании жизненных функций пациента, кислород будет медленно втягиваться в первый канал из резервуара по мере абсорбции газа в кровь через мембрану оксигенатора.
Если в первый канал случайно введено слишком много газа, например ксенона, то избыток вымывается непрерывным потоком кислорода. Выгодно, если резервуар все время наполнен в основном кислородом, даже если случайно введен большой болюс ксенона. Это желательно по соображениям безопасности, чтобы ситуация, описанная во втором варианте изобретения, прошла успешно. В противном случае случайные большие болюсы ксенона могли бы заполнить резервуар безопасности с газом в основном ксеноном, а не кислородом, что, конечно, нежелательно.
Согласно особенно предпочтительному варианту данного изобретения предлагается способ насыщения крови кислородом, который включает:
циркуляцию кислорода в первом канале, имеющем часть стенки, являющуюся газопроницаемой мембраной;
создание возможности кислороду диффундировать через эту часть стенки во второй канал;
пополнение диффундировавшего кислорода через по меньшей мере одно впускное отверстие в первом канале;
создание возможности кислороду переходить из первого канала в резервуар, содержащий кислород, если давление газа превышает заданные пределы давления или газ выходит за пределы заданного объема, и создание возможности газу переходить из резервуара, содержащего кислород, в первый канал, если давление в первом канале падает ниже заданных пределов давления или объем газа падает ниже заданного объема, так, чтобы поддерживать давление кислорода в первом канале по существу в заданных пределах.
В предпочтительном случае указанная кровь является экстракорпоральным потоком крови.
В предпочтительном случае способ является, по существу, таким, как описано здесь ранее.
Способ согласно данному изобретению особенно выгоден, так как он позволяет проводить газообмен в экстракорпоральном потоке крови при экономии свежих газов.
Согласно второму аспекту данного изобретения предлагается устройство для поддержания давления газа в заданных пределах во время процесса газообмена, содержащее:
первый канал, имеющий часть стенки, являющуюся газопроницаемой мембраной;
по меньшей мере одно впускное отверстие для ввода первого газа в устройство; и
резервуар, предназначенный для содержания первого газа.
Устройство может быть использовано в способе поддержания давления газа в заданных пределах во время процесса газообмена, по существу описанном здесь ранее. Устройство хорошо поддерживает в заданных пределах давление газа, текущего через являющуюся мембраной часть стенки.
Резервуар может быть открытым на конце каналом, сообщающимся, например, с окружающей атмосферой, или, в альтернативном случае, сосудом переменного объема, например надувным сильфоном, мешком и т.п., изготовленным из подходящего газонепроницаемого эластичного листового материала.
Предусмотрено, что когда для работы в качестве резервуара система содержит сосуд переменного объема, она может иметь управляющее отверстие, предназначенное для того, чтобы позволить газу выходить из устройства, если давление в системе превышает давление в окружающей среде, т.е. надувной сильфон наполнен, и позволяет входить: а) первому газу; б) одной из составляющих газа, или в) окружающему воздуху, если давление в системе падает ниже давления окружающей среды (т.е. надувной сильфон, мешок и т.п. становится по существу пустым).
Когда устройство используется для насыщения крови кислородом, то выгодно, чтобы оно включало средство для поглощения двуокиси углерода в, например, первом канале.
Устройство обычно поддерживается, по существу, при атмосферном давлении, в особенности, около части стенки, являющейся мембраной. Предусмотрено, что первый канал может иметь диаметр, достаточно большой для обеспечения низкого сопротивления потоку газа. В предпочтительном варианте изобретении резервуар обычно расположен, по существу, рядом с частью стенки, являющейся газопроницаемой мембраной.
Обычно часть стенки, являющаяся газопроницаемой мембраной, представляет собой мембрану оксигенатора, по существу такую, как описано выше.
Устройство обычно содержит первое впускное отверстие (предпочтительно для ввода кислорода), и второе впускное отверстие (предпочтительно для ввода второго газа, например ксенона).
Согласно первому варианту второго аспекта данного изобретения первое впускное отверстие и второе впускное отверстие сообщаются с первым каналом.
Согласно второму варианту второго аспекта данного изобретения первое впускное отверстие сообщается с резервуаром, а второе впускное отверстие сообщается с первым каналом.
Предпочтительные признаки данного изобретения описаны ниже только в качестве иллюстрации со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 представляет известное из уровня техники устройство для газообмена;
фиг.2 представляет устройство согласно первому варианту данного изобретения;
фиг.3 представляет устройство согласно второму варианту данного изобретения; и
фиг.4 представляет устройство согласно еще одному варианту данного изобретения.
На фиг.1 показан известный тип оксигенатора, обозначенный позицией 1. Газовая смесь, содержащая кислород 4 (обычно смесь азота и кислорода), пропускается вдоль одной стороны мембраны 2, а кровь пациента прокачивается вдоль противоположной стороны мембраны 3. Кислород диффундирует через мембрану в кровь, а выбрасываемая двуокись углерода диффундирует из крови через мембрану в газовую смесь 4. Затем двуокись углерода уносится в потоке газа 4 и выбрасывается в окружающую атмосферу.
На фиг.2, где для обозначения подобных частей использованы те же номера позиций, что и на фиг.1, показано устройство согласно первому аспекту данного изобретения, обозначенное позицией 20.
Газы, проходящие вдоль газовой поверхности 2 мембраны 25 оксигенатора, рециркулируют по контуру из полой трубки 21. Кровь 22 пациента проходит вдоль другой стороны мембраны 25 оксигенатора обычным образом. У мембраны 25 выбрасываемая двуокись углерода диффундирует из крови 22 на газовую сторону 2 мембраны в поток газа 4. Эта выбрасываемая двуокись углерода удаляется из потока газа 4 путем пропускания потока газа 4 через контейнер, наполненный поглощающим двуокись углерода материалом 23. Поглощение двуокиси углерода может происходить как в результате абсорбции, так и в результате химической реакции, например, с гранулами натриевой извести, которые широко используются в анестезии.
Газы рециркулируют по контуру из трубки 21 под действием насоса 24 с электроприводом. У мембраны 25 оксигенатора кислород диффундирует из потока газа 4 через мембрану 25 в кровь 22 пациента.
По мере удаления двуокиси углерода объем газа в контуре трубки 21 со временем медленно падает при перемещении газа (в основном кислорода) из газового потока 4 в поток крови 22 через мембрану 25. Скорость, при которой это происходит, обычно составляет около 250 мл в минуту. Свежий кислород добавляется в газовый контур 21 через отверстие 26, а ксенон - через отверстие 27. Концентрация каждой составляющей газа в газовом контуре контролируется, чтобы управлять этим процессом добавления газа.
При установлении равновесия между поглощением газа в кровь и подачей свежего газа в газовый контур давление в газовом контуре находится под контролем. Обычно это происходит при атмосферном или близком к нему давлении. Это достигается при использовании открытого на конце резервуара 28, соединенного с газовым контуром 21, что допускает временные небольшие дисбалансы между скоростью поглощения газа и подачей свежего газа в контур, без нарастания избыточного давления. Если в какой-то момент временно подается слишком много свежего газа через отверстия 26 и 27, то часть избыточного газа может временно перейти в резервуар 28, не выходя в атмосферу из его дистального открытого конца 29. После того как происходит дополнительное поглощение газа через мембрану 25, газ, который был вытеснен в резервуар 28, втягивается обратно в контур 21 из резервуара 28 по мере того, как объем газа в контуре 21 начинает снова падать.
На фиг.3, где для обозначения подобных частей использованы те же номера позиций, что и на фиг.1 и 2, показано устройство согласно второму варианту изобретения, обозначенное позицией 30.
Открытый на конце резервуар обозначен позицией 38. В него, через впускное отверстие 37, входит постоянный поток кислорода. Ксенон в газовый контур 21 подается, когда требуется, в малых количествах через впускное отверстие 36. Если ксенон кратковременно подается в газовый контур через впускное отверстие 36 со скоростью большей, чем полная скорость поглощения газа из контура 21 в кровь 22, то избыточный объем газа будет двигаться в резервуар 38, как показано выше на фиг.2. Если этот "избыточный объем" 39 превышает объем трубки резервуара между контуром 21 и впускным отверстием 37 для кислорода, то дополнительный избыточный газ будет вынесен из резервуара 38 потоком кислорода через впускное отверстие 37.
Ксенон можно добавлять болюсно в контур 21 с перерывами для измерения нового состава газа в контуре 21, и это позволяет оператору (вручную или автоматически) поддерживать в контуре по существу постоянный процентный состав каждой газовой составляющей в смеси.
Система, описанная на фиг.1, рассматривается как "открытая" система, что означает, что свежий газ не проходит через систему, а следовательно, через оксигенатор, более одного раза.
Текст, относящийся к фиг.2 и 3, описывает эти системы как "полностью замкнутые", так как это наиболее экономичный и наиболее желательный режим работы. Это значит, что свежие газы могут входить в контур со скоростью, более или менее равной поглощению каждого из этих газов в кровь через оксигенатор. Это наиболее эффективный режим работы в отношении расходования газа и стоимости эксплуатации.
Система (содержащая оксигенатор, насос для рециркуляции газа, поглотитель двуокиси углерода плюс механизм, позволяющий этому "контуру", например ветви резервуара, быть открытым в атмосферу) может также быть использована как "полузамкнутая". В этом варианте изобретения свежие газы (например, кислород и ксенон) вводятся в контур через отверстие или отверстия, например отверстия 26 и 27 на фиг.2. Течение этих газов осуществляется так, что оно является непрерывным, а поток каждого газа в контур выполнен так, что он слегка превосходит скорость поглощения каждого газа из контура кровью через мембрану оксигенатора. В этом режиме существует непрерывный "сброс" избыточного газа из системы, который позволяет контуру быть функционально открытым в атмосферу (как, например, ветвь резервуара на фиг.2). В то же время, прежде чем покинуть систему, свежие газы частично рециркулируют по контуру несколько раз. Этот режим работы использует меньше свежего газа, чем открытая система, описанная на фиг.1, так как свежий газ частично рециркулирует. Он использует больше свежего газа, чем полностью замкнутые режимы работы, описанные ранее на фиг.2 и 3, так как в полностью замкнутом режиме свежие газы полностью рециркулируют, пока не попадут в кровь. Полузамкнутый режим работы имеет, однако, преимущество, так как при использовании газовый состав в контуре достигает равновесия и поэтому остается относительно постоянным. Это значит, что хотя режим менее экономичен, чем полностью замкнутые режимы, описанные на фиг.2 и 3, он не требует для безопасного использования такого высокого уровня внимательности к контролю и управлению, как это необходимо при полностью замкнутых режимах работы.
На фиг.4 кислород, с ксеноном или без него, поглощается из контура кровью пациента через мембрану 2 оксигенатора, поэтому объем газа в контуре 21 и сильфоне 41 уменьшается. Сильфон 41 не сжимается под собственным весом и выпускает свое содержимое из конца ветви 42 резервуара, потому что в ветви резервуара имеется однонаправленный клапан 43, который позволяет газу двигаться только в контур, а не из контура.
Когда сильфон 41 опустошается, непрерывное расходование газа из контура через оксигенатор замещается кислородом, втягиваемым в контур из ветви резервуара с той же скоростью. Этот газ втягивается в контур 21 через вышеупомянутый пассивный однонаправленный клапан, для открытия которого требуется очень небольшая разница давлений на нем.
Если ксенон вводится в контур 21 через отверстие 36, то сильфон 41 наполнится, вмещая избыточно добавленный газ.
Он не вытечет из ветви резервуара, так как однонаправленный клапан 43 закрывается.
Следовательно, газовая сторона оксигенатора защищена от нарастания отрицательного давления благодаря тому, что избыточный кислород будет втянут в контур 21, и защищена от нарастания положительного давления благодаря тому, что высота сильфона 41 увеличится, если в контур будет добавлен избыточный газ. Если оператор ничего не делает, то кислород всегда добавляется в контур автоматически по мере вывода газа через оксигенатор 2. Сильфом 41 позволяет добавленному газу разместиться без повышения давления. Чтобы поддерживать в устройстве низкое, по существу атмосферное, давление, сильфон 41 и клапан 43 расположены по существу рядом со стороной выхода газа оксигенатора 2.
Система, описанная на фиг.3 и 4, особенно желательна, так как, если газовая смесь в первом канале (21) содержит смесь кислорода и другого газа, например ксенона, то объем газа, поглощаемого из канала через мембрану, равен поглощению кислорода в минуту, плюс поглощение ксенона в минуту. Если не добавляется свежего ксенона, то эта суммарная потеря объема замещается кислородом, втягиваемым в первый канал (21) из наполненной кислородом системы резервуара. Следовательно, в отсутствие добавления ксенона в контур или первый канал (21) концентрация кислорода в первом канале (21) будет медленно возрастать. Предусмотрено, что при использовании эта медленно возрастающая концентрация кислорода уравновешивается небольшими повторяющимися впусками ксенона в контур (21). Конечным результатом являются по существу постоянные концентрации ксенона и кислорода в контуре (21). Следовательно, системе присуща безопасность, так как нарушение впуска ксенона заставляет концентрацию кислорода в контуре (21) медленно возрастать, что важно для поддержания жизни.
1. Устройство для поддержания давления газа в заданных пределах во время процесса газообмена, содержащее канал для газа, имеющий часть стенки, являющейся газопроницаемой мембраной; резервуар, сообщающийся с каналом для газа и предназначенный для содержания кислорода; впускное отверстие, предназначенное для введения анестезирующего газа непосредственно в канал для газа, при этом резервуар выполнен с возможностью протекания в канал для газа кислорода, содержащегося в резервуаре, при снижении давления в канале для газа ниже давления окружающей среды.
2. Устройство по п.1, в котором резервуар по существу примыкает к газопроницаемой мембране.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором канал для газа является каналом непрерывной циркуляции.
4. Устройство по п.1 или 2, в котором резервуар является каналом с открытым концом.
5. Устройство по п.1 или 2, в котором резервуар является сосудом переменного объема.
6. Устройство по п.5, в котором сосуд переменного объема является надувным сильфоном или мешком.
7. Устройство по п.5, в котором сосуд переменного объема изготовлен из газонепроницаемого листового материала.
8. Устройство по п.5, которое включает управляющее отверстие для выхода газа при превышении давления в системе давления окружающей среды.
9. Устройство по п.1 или 2, в котором часть стенки, являющаяся мембраной, представляет собой мембрану оксигенатора.
10. Устройство по п.1 или 2, в котором часть стенки, являющаяся мембраной, по существу инертна по отношению к крови и непроницаема для крови.
11. Устройство по п.1 или 2, в котором часть стенки, являющаяся мембраной, представляет собой газопроницаемую пленку из полимерного материала, например, полые волокна микропористого полипропилена или мембрану из силиконового каучука.
12. Устройство по п.1 или 2, в котором часть стенки, являющаяся газопроницаемой мембраной, выполнена с возможностью диффундирования газа через мембрану из канала для газа в канал для крови, а газу из канала для крови - в канал для газа.
13. Устройство по п.1 или 2, которое содержит средство для поглощения двуокиси углерода.
14. Устройство по п.1 или 2, в котором канал для газа имеет внутреннюю поверхность с низким сопротивлением потоку.
15. Устройство по п.1 или 2, в котором впускное отверстие предназначено для подачи ксенона.
16. Устройство по п.1 или 2, которое дополнительно содержит впускное отверстие для ввода в резервуар кислорода.
17. Устройство по п.1 или 2, которое включает средство для поглощения двуокиси углерода из канала для газа.
