RO123648B1 - Aparat de respiraţie artificială, pentru animale mici de laborator - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un aparat de respiraţie artificială, pentru animale mici de laborator, cum ar fi şobolani, cobai şi altele asemenea. Aparatul conform invenţiei este alcătuit dintr-un circuit inspirator şi un circuit expirator, conectate, prin intermediul unor tuburi (4), la un cateter de intubaţie endotraheală, circuitul inspirator, ce are rolul de a pompa gaz în plămânii unui animal, fiind format dintr-un rezervor cu gaz, un compresor (1) pentru ridicarea presiunii gazului şi pomparea acestuia în circuit, un robinet (2) pentru reglarea fluxului de gaz, şi un manometru (3) pentru monitorizarea nivelului presiunii gazului, iar circuitul expirator, ce are rolul de a prelua gazele rezultate în urma expiraţiei, fiind alcătuit dintr-un dispozitiv PEEP, destinat a împiedica scăderea la zero a presiunii în căile respiratorii la sfârşitul unei expiraţii, o valvă expiratorie (VE) având un piston (7) de cauciuc, pentru obturarea periodică a unui cilindru (6), mişcarea ritmică a pistonului (7) fiind declanşată de o bobină (10) comandată de un circuit electronic (11), ce comandă şi schimbarea frecvenţei respiratorii, prin modificarea frecvenţei de încărcare a bobinei (10).

Description

Invenția de față se referă la un aparat de respirație artificială pentru animale mici de laborator.

Ventilația artificială este procesul prin care un dispozitiv extern, numit ventilator sau respirator, suplinește lipsa mișcărilor respiratorii ale unui individ, introducând ritmic un volum de gaz în plămânii acestuia. Aceasta este larg folosită în medicina umană sau veterinară în scopuri terapeutice.

în cercetarea biomedicală, ventilarea artificială a animalului este un mijloc de a ține animalul în viață, disponibil pentru intervenții experimentale ce nu ar fi posibile altfel. Ventilația artificială se poate împărți, în mare, în două categorii (1):

- în volum - în care animalul este ventilat cu un volum fix de gaz la fiecare respirație, presiunea inspiratorie fiind cea care variază;

- în presiune - în care animalul este ventilat la presiune inspiratorie constantă, volumul inspirator fiind cel variabil.

Există o varietate de ventilatoare comerciale și experimentale pentru ventilarea în presiune a animalelor mici de laborator de tipul șobolanului, dar majoritatea folosesc fie o valvă de tip Heidbrink (sau o derivată a acesteia), fie o pompă de tip Starling (cilindru cu piston acționat de un motor electric), cuplate cu senzori de presiune, camere pneumatice și dispozitive electronice care controlează și ajustează ventilația. După cum vom arăta mai jos, atât valva de tip Heidbrink cât și pompa Starling au nevoie și de alte dispozitive sau senzori pentru funcționarea optimă, în timp ce designul original al valvei expiratorie pe care o propunem îmbină eficiența cu simplicitatea, permițând realizarea respirațiilor artificiale și monitorizarea continuă a presiunilor din cursul ciclului respirator.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este furnizarea oxigenului necesar respirației unui animal în timpul unei intervenții chirurgicale.

Aparatul de respirație artificială, care face obiectul prezentei cereri de brevet, este un ventilator de presiune care controlează expirația, folosit în scopuri strict experimentale la animale de laborator de genul șobolanului, hamsterului și care nu are nevoie de o sursă de gaz comprimat pentru funcționare.

Aparatul de ventilație artificială este un dispozitiv de respirație artificială pentru animale mici de laborator, în speță șobolani, hamsteri, care controlează faza expiratorie a ciclului respirator și care folosește un compresor pentru a injecta gazul (oxigen pur, aer sau alt amestec gazos) în plămânii animalului și o valvă expiratorie care se deschide cu o frecvență prestabilită (care stabilește ritmul respirator), evacuând gazele respiratorii în mediul înconjurător și apoi se închide la momentul prestabilit, permițând reluarea ciclului respirator. Caracteristicile funcționale ale acestui ventilator sunt:

- poate produce un volum inspirator între 5 și 15 ml gaz/kg de greutate corporală, în majoritatea cazurilor folosindu-se un volum inspirator de aproximativ 10 ml/kg greutate;

- are o frecvență respiratorie între 80 și 120 respirații/minut. în cazul șobolanilor, experiența arată că frecvența optimă de ventilație este între 85 și 100 de respirații/minut, la acest ritm valorile gazelor sanguine se mențin apropiate de normal;

- poate fi ușor adaptat să ventileze diverse amestecuri de gaze, de la oxigen pur la aer și combinații ale acestora cu diverse anestezice gazoase. Pentru a evita dispersia gazelor expirate în incintă, ventilatorul este prevăzut cu un tub lung de evacuare pentru eliminarea acestor gaze în mediul înconjurător;

- pentru a preveni colapsul alveolelor pulmonare la sfârșitul fazei expiratorii (datorită presiunii zero în sistem), ventilatorul este prevăzut cu un dispozitiv PEEP (Positive End Expiration Pressure), care împiedică scăderea la zero a presiunii în căile respiratorii la sfârșitul expirației;

RO 123648 Β1

- debitul maxim al compresorului este de 21/minut; 1

- presiunea maximă generată este 270 mmHg.

Avantajele invenției constau în posibilitatea construirii la scară industrială a 3 ventilatoarelor destinate uzului veterinar, dedicat animalelor mini de laborator, care prin modificări minore poate fi adaptat și pentru ventilarea animalelor mai mari, precum porcul 5 sau oaia, dispozitiv foarte util medicilor veterinari.

în cele trei imagini care urmează, este prezentată în detaliu structura ventilatorului. 7 în fig. A este prezentată schema ventilatorului.

în fig. B este prezentată schema electronică a ventilatorului. 9 în fig. C este prezentată forma respirațiilor induse de ventilator.

Aparatul de respirație artificială este constituit din două componente: circuitul 11 inspirator și circuitul expirator, conectate prin cateterul de intubare endotraheală, prin care gazul este introdus în plămânii animalului. Circuitul inspirator CI prezentat în fig. A, are rolul 13 de a pompa gaz în plămânii animalului și este format din mai multe subcomponente:

- un compresor (1) care aspiră gazul din rezervor și-l pompează în circuit cu o 15 presiune de până la 270 mmHg;

- după compresor este plasat un robinet (2) care reglează fluxul de gaz spre plămânii 17 animalului și care previne expandarea plămânilor sub acțiunea directă a compresorului;

- imediat după robinet este conectat un manometru (3) la care se poate verifica 19 permanent nivelul presiunii de inspir;

- circuitul inspirator este conectat la hub-ul cateterului (4) cu care este intubat 21 animalul.

Circuitul expirator prezentat în fig. A este format dintr-o valvă PEEP (5) și valva 23 expiratorie VE. Dispozitivul PEEP este format dintr-o valvă unidirecțională de cauciuc (în formă de bot de pește având o crăpătură la vârf), conectată pe de o parte cu cateterul de 25 intubație și cu cealaltă parte de valva expiratorie. Rolul dispozitivului PEEP este acela de a preveni scăderea la zero a presiunii în căile respiratorii ale animalului la sfârșitul expirului, 27 care ar conduce la colapsul alveolelor pulmonare. Când presiunea în căile respiratorii în cursul expirului coboară la 3 cm col H20, dispozitivul PEEP se închide, blocând astfel 29 evacuarea completă a aerului din căile respiratorii și colapsul alveolelor.

Valva expiratorie are mai multe componente. Tubul de plastic care vine de la 31 dispozitivul PEEP este sudat la un capăt al unui tub de plastic (care este de fapt corpul unei seringi de 1 ml (6), iar celălalt capăt al seringii poate fi obturat periodic cu un piston de 33 cauciuc (7). Acest piston este atașat de o pârghie metalică în forma literei Z și care are la celalalt capăt un miez feromagnetic (9) aflat în vecinătatea bobinei L1 (10) și cu care poate 35 interacționa magnetic. Pârghia este fixată în placa de bază a ventilatorului într-un fel care-i permite să se miște ciclic, înainte și înapoi, în plan orizontal. Când bobina L1 este alimentată 37 de circuitul electronic, miezul feromagnetic al pârghiei este atras spre aceasta, pârghia se rotește în plan orizontal în jurul punctului de fixare, iar pistonul de cauciuc de la celalalt capăt 39 al ei obturează cilindrul de plastic (6), etanșeizând circuitul, blocând astfel expirația și permițând realizarea inspirului. Când expirul este blocat, presiunea în căile respiratorii începe 41 să crească, cutia toracică a animalului expansionează și se produce o inspirație. Valva expiratorie se găsește într-o carcasă de plastic la care este atașat un furtun de plastic care 43 servește la eliminarea gazelor expirate în mediul înconjurător, protejând astfel cercetătorii de inhalarea acestor gaze. 45

Ventilatorul funcționează controlând expirația, astfel: la momentul zero, circuitul expirator este închis de un piston (7), iar compresorul începe să injecteze gaz în plămânii 47 animalului. Atât timp cât valva expiratorie este închisă, sub acțiunea compresorului, toracele

RO 123648 Β1 animalului se expandează și se produce inspirul. Apoi circuitul electronic declanșează deschiderea valvei expiratorii și gazul este eliminat din plămâni - expirul. în cursul inspirului, presiunea în circuitul inspirator atinge valori de 15-30 mmH20 (valori reglabile cu ajutorul unui robinet (2), în funcție de mărimea animalului, necesitățile de ventilație și anestezie etc.

Din experiența noastră, este necesară aplicarea unei presiuni inspiratorii minime de aproximativ 10-20 mmH20 pentru a realiza o inspirație eficientă. Apoi circuitul electronic, care controlează deschiderea și închiderea valvei expiratorii și stabilește astfel ritmul respirator, va alimenta bobina L1 (10) care va roti orizontal pârghia (8), iar pistonul (7) de cauciuc va bloca cilindrul de plastic (6), blocând din nou circuitul expirator și permițând creșterea presiunii în circuitul inspirator care va duce la realizarea unui nou inspir.

Spațiul mort al ventilatorului este mic în raport cu volumul inspirator și se găsește în cele două tuburi de plastic (4) prin care gazul este trimis la animal sau eliminat și în cateterul de intubare endotraheală. Când presiunea gazului crește în circuitul inspirator pentru a realiza o nouă inspirație, un volum mic este direcționatîn circuitul expirator, ținut închis de valva expiratorie, în timp ce în cursul expirului o cantitate mică de gaz intră în circuitul inspirator, aflat însă sub presiune mai crescută din cauza compresorului. însă la frecvența respiratorie și volumul inspirator la care este folosit aparatul pentru ventilarea șobolanilor, volumul spațiului mort este neglijabil. Prin urmare, la fiecare inspir, în plămânii animalului, este introdus gaz proaspăt.

Testarea ventilatorului s-a făcut cu ajutorul unui balonaș de plastic atașat la cateterul de intubare endotraheală. La unul dintre orificiile cateterului, a fost conectat un detector de presiune, iar variațiile presionale din cursul funcționării ventilatorului au fost preluate de un înregistrator și tipărite pe hârtie. Forma respirațiilor induse de ventilator este prezentată în fig. C.

Schema electronică de comandă a ventilatorului este prezentată în fig. B. Aceasta comandă o bobină L1 (10) care este conectată cu valva expiratorie, controlând mișcarea pârghiei de metal (8) a cărui piston blochează periodic cilindrul de plastic al valvei expiratorii și stabilește astfel frecvența ventilatorie. De asemenea, alimentează compresorul, indicatoarele luminoase, semnalizează pornirea respectiv oprirea ventilatorului prin LED-ul 2 (13), în timp ce aprinderea LED-ului 1 (14) este corelată cu durata inspirației. Frecvența respiratorie este setată cu ajutorul unui potențiometru R4 (15) și variază de obicei între 80 și 120 de respirații/minut.

Deosebirea fundamentală între ventilatoarele comerciale controlate în presiune și versiunea propusă de noi este la nivelul valvei expiratorii, în designul și funcționarea acesteia. Ventilatoarele comerciale sunt dotate, în majoritatea cazurilor cu valve de tip Heidbrink, dispozitive în formă de T, formate dintr-un disc metalic cu arc și care are la capăt un șurub care comprimă sau relaxează arcul valvei. Discul metalic obturează un orificiu, iar cu cât arcul lui este mai comprimat, cu atât presiunea necesară gazului pentru a împinge discul și a deschide orificiul este mai mare. Când un asemenea aparat ventilează în presiune, valva este setată să se deschidă la o anumită presiune, iar când aceasta este atinsă, se deschide, și gazul aflat în căile respiratorii este evacuat în exterior. Pentru a se putea modifica frecvența de ventilație, o asemenea valvă are nevoie de un dispozitiv pneumatic, care modifică presiunea gazului și permite atingerea presiunii de deschidere a valvei mai repede sau mai târziu, crescând sau scăzând astfel frecvența ventilatorie. De asemenea, pentru optimizarea și securizarea funcționării ventilatorului, valva este dotată și cu un detector de presiune, care monitorizează modificările presiunii în cursul ventilației.

RO 123648 Β1

Varianta de valvă expiratorie propusă de noi are un design diferit de valva Heidbrink 1 și implementează simplu și eficient trei funcții esențiale ale unei valve expiratorii:

- controlul expirației; 3

- modificarea frecvenței ventilatorii;

- monitorizarea presiunii în cursul ventilației. 5

Așa cum am arătat mai sus, controlul expirației se realizează prin obturarea și eliberarea periodică a cilindrului de plastic (6) de către pistonul (7). Modificarea frecvenței 7 ventilatorii se realizează simplu la nivel electronic, ajustând potențiometrul R4 (15), care va scădea/crește frecvența cu care pârghia cu capăt magnetic va interacționa cu bobina L1 (10) 9 și astfel frecvența cu care pistonul (7) va obtura cilindrul de plastic (6). La schimbarea frecvenței ventilatorii, se modifică presiunea de ventilație, dar aceasta poate fi ușor ajustată, 11 scăzută sau crescută, în funcție de necesitați, cu ajutorului robinetului (2), care poate reduce sau crește fluxul de gaz, astfel încât animalul poate fi ventilat la presiunea și frecvența 13 ventilatorie dorită. Valva expiratorie, în implementarea noastră, cât și controlul electronic al frecvenței ventilatorii, formează un mecanism simplu și elegant de modificare a frecvenței 15 de ventilație (la ventilația în presiune), eliminând necesitatea prezenței acelui dispozitiv pneumatic care să modifice presiunea sursei de gaz. Prezența manometrului permite 17 monitorizarea continuă, în timp real, a variațiilor presionale din cursul funcționarii ventilatorului, fiind posibilă ajustarea imediată a eventualelor deviații. Nu este necesară 19 prezența unui detector de presiune de sine stătător. Abordarea noastră este mai simplă și mai ușor de implementat decât o valvă Heidbrink, o parte electronică relativ simplă asigură 21 controlul frecvenței respiratorii și a volumului inspirator, cercetătorul poate varia cu ușurință cei doi parametri cu ajutorul potențiometrului R4 (15) și robinetului (2), fie independent fie 23 simultan. Valva prezentată înglobează trei funcții într-un singur dispozitiv, spre deosebire de ventilatoarele de presiune actuale, care folosesc trei dispozitive diferite pentru a realiza cele 25 trei funcții. înglobând inovațiile menționate, dispozitivul nostru reprezintă o implementare elegantă a unui ventilator pentru animale mici de laborator. Având în vedere faptul că în 27 România nu se produc asemenea ventilatoare, producerea lor pe scara industrială la costuri rezonabile ar avea certe beneficii pentru comunitatea științifică biomedicală și practicienii 29 veterinari din România. Cu niște adaptări minime, pe baza acestui proiect, s-ar putea construi și ventilatoare pentru animale mai mari, cum ar fi porcul, oaia etc., foarte utile 31 medicilor veterinari.

Caracteristicile tehnice ale ventilatorului: 33

- dimensiuni - 22/20/8,5 cm;

- greutate totală - 2520 g; 35

- puterea consumată - 18,7 W la 220 V/50 Hz;

- diametrul interior al tubulaturii de plastic (tygon), folosită la conectarea compo- 37 nentelor și transportul gazelor - 4 mm.

Claims (2)

1. Revendicări

   1. Aparat de respirație artificială pentru animale mici de laborator, caracterizat prin aceea ca este constituit dintr-un circuit inspirator (CI), format dintr-un compresor (1), un robinet (2) și un manomentru (3), tot circuitul fiind conectat la unul dintre brațele unui cateter de intubare (4) al animalului, și un circuit expirator care este conectat la celălalt braț al unui cateter de intubare (4) și care se continuă cu un dispozitiv de tip PEEP (5), conectat la o valvă expiratorie (VE), formată, la rândul ei, dintr-un tub de plastic (6), conectat la un capăt cu dispozitivul PEEP (5), iar celălalt capăt fiind liber și obturat periodic de un piston (7), care este atașat de o pârghie metalică (8) de forma literei Z, care este prinsă de placa de bază astfel încât să-i permită mișcarea în plan orizontal, iar la celălalt capăt al pârghiei metalice se găsește un miez feromagnetic (9) aflat în contact apropiat cu o bobină (10), controlată de un circuitul electronic (11), în timp ce întreaga valvă expiratorie este poziționată într-o cutie de plastic etanșă, care prezintă un orificiu (12) de evacuare a gazelor expirate.
2. 2. Aparat de respirație artificială pentru animale mici de laborator, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că lungimea inspirației este controlată de un circuit electronic (11), care printr-o bobină (10) mișcă o pârghie metalică (8), iar pistonul de la capătul ei deschide și închide ritmic valva expiratorie, inspirația realizându-se activ, compresorul (1) injectând aer în plămânii animalului, iar expirația realizându-se pasiv, circuitul electronic (11) deschizând valva expiratorie și permițând evacuarea în exterior a aerului din căile aeriene superioare.