МЕДИЦИНСКИЙ ОТСАСЫВАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК A61M1/00 

Изобретение относится к медицинской технике, точнее к отсасывателям, используемым, например, в хирургии, гинекологии, физиолечении для отсасывания жидкостей из полостей органов.

Известен отсасыватель, содержащий последовательно соединенные задатчик разрежения, контактный прибор, реле времени, электродвигатель, вакуум-насос, ресивер, сосуд для сбора жидкости, а также датчик разрежения, связывающий выход вакуум-насоса со вторым входом контактного прибора.

Недостатком устройства является большая амплитуда пульсаций величины разрежения в режиме стабилизации малых заданных величин, что снижает функциональные возможности и, кроме того, обуславливает использование значительных по объему ресиверов для сглаживания вышеуказанных пульсаций, приводящих к увеличению габаритов отсасывателя. Указанные пульсации обусловлены релейным характером регулирования разрежения, осуществляемым контактным прибором. При этом электродвигатель все время включается на полное напряжение и отключается от него, что приводит к большим броскам тока. Последнее обуславливает значительные пульсации движущего момента электродвигателя, которые приводят к динамическим ударам и к быстрому износу движущихся частей вакуум-насоса и механической передачи, соединяющей выходной вал электродвигателя с входом вакуум-насоса. Отсюда следует, что следующими недостатками известного устройства являются пониженный ресурс работы и повышенный уровень шума. Кроме того, указанные выше броски тока вызывают дополнительный нагрев электродвигателя, что приводит к необходимости использования электродвигателя повышенной мощности с большими массой и габаритами.

Изобретение направлено на уменьшение амплитуды пульсаций величины разрежения и расширение функциональных возможностей, увеличение ресурса работы и уменьшение уровня шума, уменьшение габаритов и массы.

Это достигается тем, что в отсасыватель, содержащий последовательно соединенные электродвигатель, вакуум-насос, ресивер, магистраль для подключения емкости для сбора жидкости, а также задатчик разрежения и датчик разрежения, вход которого соединен с выходом вакуум-насоса, введены регулятор разрежения, функциональный преобразователь, сумматор, широтно-импульсный преобразователь, усилитель мощности, датчик тока и активный фильтр, причем первый вход регулятора разрежения соединен с выходом задатчика разрежения, второй вход регулятора разрежения соединен с выходом датчика разрежения, третий вход регулятора разрежения соединен с выходом функционального преобразователя, выход регулятора разрежения соединен с входом функционального преобразователя и с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом широтно-импульсного преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности подсоединен к электродвигателю, вход датчика тока подключен к цепи питания усилителя мощности, а выход датчика тока соединен с входом активного фильтра, выход которого подсоединен ко второму входу сумматора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого отсасывателя; на фиг. 2 - формы тока в обмотке электродвигателя и в цепи питания усилителя мощности; на фиг. 3 - функциональная зависимость напряжения на выходе активного фильтра от тока двигателя; на фиг. 4 - фиг. 7 - осциллограммы зависимостей разрежения отсасывателя и тока электродвигателя от времени, показывающие эффективность заявляемых решений.

Устройство содержит задатчик 1 разрежения, регулятор 2 разрежения, функциональный преобразователь 3, сумматор 4, широтно-импульсный преобразователь 5, усилитель 6 мощности, электродвигатель 7, вакуум-насос 8, ресивер 9, магистраль 10 для подключения емкости для сбора жидкости, датчик 11 разрежения, датчик 12 тока, активный фильтр 13.

Устройство работает следующим образом. Сигнал задания разрежения подается с выхода задатчика 1 разрежения в виде напряжения постоянного тока на первый вход регулятора 2 разрежения. На второй вход регулятора 2 разрежения подается сигнал с датчика 11 разрежения о разрежении, создаваемом вакуум-насосом 8. Регулятор 2 разрежения представляет собой пропорционально-интегральный регулятор с первым суммирующим входом, со вторым вычитающим входом и третьим входом, позволяющим включать и выключать интегральную составляющую регулятора. Регулятор 2 может быть реализован, например, на операционном усилителе с суммирующим и вычитающим входами, охваченным отрицательной обратной связью на RC-цепочке. Если сигнал с датчика 11 разрежения меньше сигнала с задатчика 1 разрежения, то на выходе регулятора 2 разрежения появляется напряжение, которое через сумматор 4 передается на широтно-импульсный модулятор 5 и уже в виде широтно-импульсного сигнала поступает на усилитель 6 мощности. Сигнал на выходе усилителя 6 мощности приводит в движение электродвигатель 7. Вакуум-насос 8 начинает создавать разрежение в ресивере 9 и в магистрали 10 для подключения емкости для сбора жидкости. На выходе датчика 11 разрежения, а значит и на втором входе регулятора 2 сигнал начинает увеличиваться, что приводит к уменьшению сигнала на выходе регулятора 2 разрежения а, значит, в конечном счете, и скорости вращения вала двигателя, что приводит к снижению производительности вакуум-насоса 8. Процесс продолжается до тех пор, пока сигнал с датчика 11 разрежения не сравняется с сигналом задатчика 1 разрежения. При этом на выходе пропорционально-интегрального регулятора 2 разрежения установится напряжение, величина которого определяется скоростью отсоса жидкости. Так, если трубка, идущая от пациента в емкость для сбора жидкости, полностью перекрыта, то вышеупомянутое напряжение равно нулю. Если имеется какой-то расход, то есть жидкость отсасывается, то напряжение на выходе регулятора 2 разрежения установится таким, чтобы поддерживать этот расход. Но в обоих рассматриваемых случаях в установившемся режиме сигналы с выхода задатчика 1 разрежения и датчика 11 разрежения будут равны. Если в результате воздействия какого-либо дестабилизирующего фактора (изменение напряжения питания, попадание сгустка в трубку, идущую от пациента в емкость для сбора жидкости) разрежение изменится, например, увеличится, то увеличится сигнал с датчика 11 разрежения и уменьшится сигнал на выходе регулятора 2 разрежения. В результате электродвигатель 7 будет вращаться с меньшей скоростью, а вакуум-насос 8 будет выдавать меньшую величину разрежения. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока сигналы с задатчика 1 разрежения и датчика 11 разрежения не выравняются.

Отсасыватель представляет собой динамическую систему, параметры которой меняются в зависимости от заполнения емкости для сбора жидкости и величины разрежения, создаваемого вакуум-насосом 8. Для получения переходных процессов практически без перерегулирования во всем диапазоне изменения вышеуказанных параметров введен функциональный преобразователь 3. Он может быть реализован, например, на диоде, подключенном катодом к третьему входу регулятора 2 разрежения, а анодом через делитель напряжения к выходу регулятора 2 разрежения. При больших сигналах рассогласования между сигналом задатчика 1 разрежения и датчиком 11 разрежения, то есть при больших сигналах на выходе регулятора 2 разрежения, функциональный преобразователь 3 шунтирует интегральную составляющую регулятора, который работает как пропорциональный регулятор. При малых сигналах рассогласования функциональный преобразователь 3 включает интегральную составляющую регулятора 2 разрежения, которая начинает работать с нулевых начальных условий, без накопленного сигнала при работе на больших рассогласованиях. Поэтому перерегулирование в переходных процессах практически отсутствует. В то же время в установившемся режиме интегральная составляющая регулятора 2 разрежения позволяет получать высокую точность поддержания заданной величины разрежения.

При регулировании величины разрежения в широких пределах в нижней части диапазона регулирования, двигатель должен вращаться с очень малой скоростью, часто останавливаясь, затем, вновь трогаясь, чтобы поддерживать на выходе вакуум-насоса 8 малую величину заданного разрежения. Как и большинство механизмов, вакуум-насос (с механическим редуктором при необходимости) имеет трение покоя больше, чем трение движения. Для преодоления трения покоя регулятору 2 разрежения необходимо накопить большее напряжение, чем то, которое необходимо для дальнейшего движения. Поэтому в процессе отсасывания могут возникать пульсации разрежения, обусловленные вышеуказанным характером трения. Для снижения амплитуды этих пульсаций введены датчик 12 тока и активный фильтр 13. С выхода датчика 12 тока снимается сигнал, пропорциональный току, протекающему по цепи питания усилителя 6 мощности в виде широтно-модулированного напряжения, скважность которого определяется широтно-импульсным модулятором 5, а амплитуда - током электродвигателя 7. Активный фильтр 13 выделяет среднее значение широтно-модулированного сигнала, идущего с датчика 12 тока.

На фиг. 2а представлена зависимость тока I_дв в обмотке электродвигателя 7 от времени при широтно-импульсном управлении. В интервале t₁-t₂ на обмотку электродвигателя 7 подается импульс напряжения, и ток I_дв растет. В интервале t₂-t₃ характер изменения тока определяет ЭДС самоиндукции обмотки электродвигателя 7 и ток I_дв падает. Среднее значение тока I_двср определяет его движущий момент. На фиг. 2б изображена форма тока, протекающего по цепи питания усилителя 6 мощности, который протекает через датчик 12 тока. Среднее значение тока I_дтср, протекающего через датчик 12 тока, будет меньше среднего значения тока I_двср электродвигателя 7, и только при подаче полного напряжения на электродвигатель эти значения будут равны. Таким образом, сигнал на выходе активного фильтра 13, пропорциональный среднему значению тока I_двср, протекающего через датчик 12 тока, является нелинейной функцией среднего значения тока электродвигателя. Вид этой функции представлен на фиг. 3, где обозначено: U и U_max - соответственно текущее и максимальное значения напряжения на выходе активного фильтра 13; I_двср - среднее значение тока, протекающего по обмотке электродвигателя; I_двном - номинальное значение тока электродвигателя. Для сравнения на фиг. 3 пунктирной линией показана зависимость сигнала на выходе активного фильтра 13 от тока электродвигателя, если бы датчик 12 тока был включен непосредственно в обмотку электродвигателя. Таким образом датчик 12 тока и активный фильтр 13 образуют нелинейную обратную связь по току, которая работает следующим образом. Пусть в начальный момент времени электродвигатель 7 неподвижен, а с регулятора 2 разрежения через сумматор 4, широтно-импульсный преобразователь 5 на усилитель 6 мощности подается небольшой электрический сигнал. При этом по обмоткам электродвигателя 7, подключенного к усилителю 6 мощности, протекает ток, создающий движущий момент, который не может преодолеть момент трения покоя. По цепи положительной обратной связи, образуемой датчиком 12 тока и активным фильтром 13, на второй вход сумматора 4 подается сигнал, пропорциональный среднему значению тока в усилителе 6 мощности. Это приводит к увеличению сигнала на выходе сумматора 4, широтно-импульсного преобразователя 5 и, в конечном счете, к увеличению тока электродвигателя 7. Процесс продолжается до тех пор, пока ток электродвигателя 7 не вырастет до величины, которая создаст движущий момент, способный преодолеть момент трения покоя. Электродвигатель 7 начнет вращаться и действующий на него момент нагрузки, обусловленный моментом трения движения, уменьшится. Уменьшится и ток электродвигателя 7, а значит и ток в нулевой шине усилителя 6 мощности. Сигнал, приходящий на второй вход сумматора 4, тоже уменьшится, что приведет к уменьшению сигнала на выходе сумматора 4 и, в конечном счете, к уменьшению тока электродвигателя 7. Нелинейный характер зависимости сигнала на выходе активного фильтра 13 от тока электродвигателя 7 позволяет с наибольшей эффективностью осуществить переход электродвигателя 7 от режима покоя к режиму движения, так как сигнал положительной обратной связи резко возрастает при увеличении момента трения в покое и резко уменьшается при уменьшении момента трения в движении. Таким образом, введение нелинейной положительной обратной связи, образованной датчиком 12 тока и активным фильтром 13, обуславливает плавное движение с малой скоростью, без скачков при переходе электродвигателя 7 от режима покоя к режиму движения.

На фиг. 4 и фиг. 6 изображены осциллограммы выхода на режим стабилизации заданного разрежения 10 кПа (Р) и изменения при этом тока (I) электродвигателя 7 при диаметре всасывающей трубки 7 мм и 0,7 мм соответственно отсасывателя, построенного по принципам, изложенным в АС СССР N 483115. На фиг. 5, фиг. 7 изображены осциллограммы P(t) и I(t) при выходе на тот же режим стабилизации заявляемого устройства при диаметре всасывающей трубки соответственно 7 мм и 0,7 мм. Из осциллограмм видно, что величина пульсаций разрежения и тока электродвигателя у заявляемого устройства значительно ниже, что подтверждает эффективность работы и преимущества заявляемого устройства.

Источник информации
Авторское свидетельство СССР N 483115, кл. A 61 M 1/00.

Изобретение используется в медицине для отсасывания жидкостей из полостей органов. Согласно изобретению в отсасыватель введены регулятор разрежения, функциональный преобразователь, сумматор, широтно-импульсный преобразователь, усилитель мощности, датчик тока и активный фильтр. Сигнал с задатчика разрежения поступает на пропорционально-интегральный регулятор разрежения, охваченный через функциональный преобразователь нелинейной обратной связью. Сигнал с выхода регулятора подается на сумматор, на другой вход которого подается сигнал коррекции в виде положительной нелинейной обратной связи по току, реализуемой датчиком тока и активным фильтром. Сигнал с выхода сумматора преобразуется широтно-импульсным преобразователем, усиливается усилителем мощности и подается на электродвигатель, приводящий в действие вакуум-насос. Отрицательная обратная связь по разрежению реализуется датчиком разрежения, выход которого связан с другим входом регулятора разрежения. Построение схемы устройства обеспечивает снижение амплитуды пульсаций разрежения. 7 ил.

Медицинский отсасыватель, содержащий задатчик разрежения, датчик разрежения, а также последовательно соединенные электродвигатель, вакуум-насос, ресивер, магистраль для подключения емкости для сбора жидкости, причем вход датчика разрежения соединен с выходом вакуум-насоса, отличающийся тем, что в него введены регулятор разрежения, функциональный преобразователь, сумматор, широтно-импульсный преобразователь, усилитель мощности, датчик тока и активный фильтр, причем первый вход регулятора разрежения подключен к выходу задатчика разрежения, второй - к выходу датчика разрежения, третий - к выходу функционального преобразователя, а выход - к входу функционального преобразователя и первому входу сумматора, выход сумматора подключен к входу широтно-импульсного преобразователя, выход которого подключен к входу усилителя мощности, выход усилителя мощности подключен к электродвигателю, вход датчика тока подключен к цепи питания усилителя мощности, а выход - к входу активного фильтра, а выход фильтра ко второму входу сумматора.