МЯГКАЯ БАРОКАМЕРА СИСТЕМЫ ГИПЕРБАРИЧЕСКОЙ ОКСИГЕНАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК A61G10/02 

Данное техническое решение относится к объектам техники, используемых в медицинской практике для лечения и профилактики пациентов в условиях повышенного абсолютного и парциального давления кислородной среды (системы гипербарической оксигенации).

В медицинских центрах многих стран мира существует и эксплуатируется целый ряд систем гипербарической оксигенации, построенных на основе жестких барокамер. Как правило, жесткие барокамеры представляют собой выполненные из металлов цистерны. Для наблюдения за пациентами, помещенными внутрь барокамер, последние снабжены иллюминаторами. Площадь поверхности иллюминаторов должна быть максимально большой по возможности для устранения психологического дискомфорта для пациента (эффект замкнутого пространства). Для подачи во внутреннюю полость барокамеры электроэнергии, препаратов, сигналов управления, а также для формирования кислородной среды повышенного давления и управления ею барокамера снабжена соответствующего назначения гермовводами.

Кроме того, известны попытки создать аналогичные системы с использованием в качестве силовой оболочки барокамеры мягких материалов.

Так, барокамера фирмы "Дреггер", Германия, выполнена в виде герметичного непрозрачного цилиндрического мешка, который одевается на лежащего пациента, не касаясь его, и в районе горловины фиксируется кольцевым герметичным стыком с силовой стойкой камеры. Прочность мешка при повышенном давлении обеспечивается также с помощью многоячеистой сетки, одеваемой сверху мешка и берущей на себя часть нагрузки.

Барокамера "Иртыш-2МТ" (один из вариантов), разработанная на машиностроительном заводе "Звезда" министерства авиационнной промышленности (СССР) в 1989 году по договору с ВНЦХ АМН СССР, выполнена в виде двух жестких днищ, соединенных мягкой герметичной непрозрачной цилиндрической оболочкой. Прочность оболочки обеспечивается с помощью двух лент, идущих по ее поверхности по спиралям правого и левого направления.

Барокамера, приведенная в материалах патента N 578825 (США), близка по конструкции барокамере фирмы "Дреггер".

Техническое решение, примененное в барокамере фирмы "Дреггер", принято в качестве прототипа.

Недостатками конструкции барокамеры фирмы "Дреггер" являются сложность помещения пациента во внутреннюю полость мягкого мешка (носилки с пациентом внутри мешка стоят непосредственно на полу), изолированность пациента в замкнутом небольшом пространстве непрозрачного мешка и невозможность или затрудненность наблюдения за ним со стороны медицинского персонала, а также затрудненность спасения пациента при возникновении чрезвычайных обстоятельств (пожар, перебои в работе систем жизнеобеспечения); в конструкции мешка не проглядывается оптимальное решение с точки зрения формирования напряженно-деформированного состояния системы оболочки мешка (пленка) сетка.

Относительно последнего замечания, рассматривая напряженно-деформированное состояние системы пленка-сетка, можно сказать, что барокамера фирмы "Дреггер" спроектирована без учета рационального распределения нагрузки в материале мешка (пленки) и сетки. Как показано ниже при описании предлагаемого технического решения, связь между геометрической формой оболочки мешка (пленки), которую его поверхность должна принимать в пределах ячейки, образованной сеткой, и прочностными характеристиками материала, из которого сетка должна быть изготовлена, может быть выражена неравенством
α2o

> f•σ_c/E_c
То есть правильно созданная конструкция системы пленка сетка должна учитывать, чтобы в ненагруженном внутренним давлением состоянии пленка несколько провисала в ячейке сетки, а в нагруженном образовывала пузырь.

Как видно из изображения барокамеры фирмы "Дреггер", оболочка ее мешка нагружена значительно большими усилиями, чем это необходимо (слабо выраженный пузырь) при правильно реализованной схеме нагружения оболочки мешка и сетки.

Кроме того, оболочка мешка с веревочной сеткой спроектирована так, что не дает возможности наблюдения и оперативного вмешательства и доступа к пациенту в случае возникновения опасности для его жизни.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, для чего корпус барокамеры выполнена в виде опорной конструкции, к которой в качестве силовой консоли на некотором расстоянии от поверхности пола прикреплена балка с организованным на ней местом для размещения пациента. Герметичная емкость, выполненная в виде мягкой камеры, вложенной внутрь многоячеистой сетки, надвигается на силовую консоль, изолируя место для размещения пациента от окружающего пространства. Мягкая камера герметизируется в месте стыка с опорной конструкцией, например,с помощью кольцевого телескопического стыка и хомута.

Мягкая камера выполняется из тонкого пленочного материала, например, витура (материала из класса полиуретанов), подбираемого по своим характеристикам так, чтобы он мог выдерживать только давление внутри нее и служить лишь границей раздела двух сред и упрочняется одеваемой снаружи сеткой, выполняемой из жгута (ленты) или проволоки (неметаллов или металлов).

Мягкая камера по перечному и продольному размерам выполнена несколько большей, чем сетка для рационального распределения нагрузок в системе пленка-сетка и соответственного уменьшения до предельно допустимой ее толщины.

Возможно использование в качестве конструкционного материала мягкой камеры непрозрачного материала, но это значительно усиливает дискомфорт для пациента и ухудшает условия наблюдения за ним со стороны медицинского персонала или усложняет конструкцию при введении в нее необходимого количества иллюминаторов.

С точки зрения улучшения условий нагружения мягкой камеры в ячейках сетки последние выполнены в виде фигуры, близкой к окружности. При нагружении мягкой камеры внутренним давлением в этом случае в пленке в любом сечении возникают одинаковые внутренние напряжения, что позволяет уменьшить массу пленки до минимально возможной.

Указанным условиям удовлетворяет ячейка, выполненная в виде шестиугольника или окружности.

На фиг. 1 представлен общий вид системы гипербарической оксигенации (СГБО); на фиг. 2 общий вид СГБО без мягкой барокамеры; на фиг. 3 общий вид герметичной емкости мягкой барокамеры СГБО, находящейся под давлением; на фиг. 4 основные обозначения, характеризующие геометрическую форму мягкой камеры с многоячеистой сеткой в поперечном сечении; на фиг.5 вариант нагружения мягкой камеры внутренним давлением и усилия, возникающие в пленке; на фиг. 6 вариант исполнения сетки с ячейками в виде шестиугольника.

В опорной конструкции 1 (фиг. 1 и 2) на силовой консоли устроено место размещения пациента 2; к опорной конструкции вокруг места размещения пациента прикреплена мягкая камера с многоячеистой сеткой 3, соединенная с опорной конструкцией герметичным узлом стыка 4. В отсутствии внутреннего давления пленка камеры опирается на съемные опорные дужки 5. На опорной конструкции 1 установлены приборы СГБО 6 и, как вариант, баллоны с кислородом 7.

Всю систему можно передвигать по поверхности пола, для чего она установлена на колесе 8.

В исходном состоянии СГБО пациента укладывают на место 2. После проведения необходимых для пациента манипуляций (установка датчиков, капельницы и т. д. ) надвигают мягкую камеру с сеткой 3 и соединяют ее с опорной конструкцией с помощью герметичного стыка 4.

Наблюдение за пациентом и переговоры с ним осуществляются через прозрачную поверхность мягкой камеры.

Дальнейшая работы с системой не отличается от работы с другими системами.

Работу мягкой камеры с многоячеистой сеткой под внутренним давлением можно представить таким образом (см. фиг. 4,5):
При подаче давления р внутрь замкнутой в виде цилиндрической оболочки пленки радиуса R_o или в общем случае R_x пленка нагружается, и, опираясь на сетку, передает ей нагрузку
q_c= p•r_x•sinα_x
при этом в сетке возникают напряжения
σ_c = q_c•R_x/F,
где F площадь сечения жгута сетки.

Сетка деформируется на величину
W_c = σ_c•R_x/E_c,
где Е_c модуль упругости материала сетки, что приводит к увеличению радиуса R_o на величину W_x, т.е.

R_x R_o + W_c.

Отсюда относительное изменение радиуса составит

Относительная длина пленки в поперечном сечении в недеформированном состоянии из геометрических соображений (без внутреннего давления р пленка в ячейках сетки "провисает") составит
,
а в деформированном состоянии:

или 1+(σ_c/E_c)•α_x/sinα_x = α_o/sinα_o
Решение последнего уравнения относительно приращения угла Δα после разложения sinα_x и sinα_o в ряд Фурье дает примерно значение величины приращения угла
.

Из геометрических соотношений величина радиуса сечения пленки в ячейке сетки

а усилие в пленке

Ясно, что усилие в пленке стремится к бесконечности при α_o - 3•σ_c/E_c•sinα_o, стремящемся к нулю.

Поэтому
α_o•sinα_o > 3•σ_c/E_c
или α2o

> f•σ_c/E_c
То есть в правильно спроектированной конструкции системы пленка сетка должно учитываться, чтобы в ненагруженном давлением состоянии пленка провисала, а в нагруженном состоянии образовывала бы в ячейке сетки пузырь с достаточно большими значениями α_o что соответствует решению f > 3.

Использование: изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в системах гипербарической оксигенации. Сущность изобретения: мягкая барокамера содержит место для пациента, соединенное с опорной конструкцией, герметичную емкость с ячеистой сеткой. Емкость выполнена из тонкой пленки, а сетка выполнена из капронового шнура или металлической проволоки. Форма и размер ячейки сетки должны удовлетворять определенному математическому условию. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Мягкая барокамера системы гипербарической оксигенации, содержащая место для пациента, соединенное с опорной конструкцией, герметичную мягкую емкость с многоячеистой сеткой, изолирующую место для пациента от окружающего пространства, отличающаяся тем, что емкость выполнена из предельно тонкой пленки, предназначенной только для удержания газовой среды внутри емкости, например, из материала класса-полиуретанов, сетка выполнена из гибкого жгута или ленты, например, капронового шнура (ленты) или металлической проволоки (ленты), при этом должно быть выполнено условие

где α_o угол полусектора, образованного аппроксимирующей реальную поверхность пленки сферой в ячейке сетки;
[σ_c] допускаемые напряжения материала сетки;
Е_с модуль упругости материала сетки;
f > 3 коэффициент связи этих параметров. 2. Барокамера по п. 1, отличающаяся тем, что пленка емкости выполнена прозрачной. 3. Барокамера по п.1, отличающаяся тем, что многоячеистая сетка выполнена из шнура (ленты), образующего ячейки, каждая из которых по форме близка к окружности, например, шестиугольнику.