Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК617-7

Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОРТАТИВНОГО КИСЛОРОДНОГО КОНЦЕНТРАТОРА

Тимченко Е.С.

Актуальность проблемы

Во всем мире ведется борьба за повышение процента выживаемости пациентов с диагностированными онкологическими, сердечнососудистыми заболеваниями, а также с патологиями или нарушениями в дыхательной системе человека. Не менее важно обеспечивать пациентам нормальный уровень жизни и возможность осуществления комфортной жизнедеятельности. Множество заболеваний, зачастую, приводят к гипоксии - недостатка кислорода в организме, независимо от того, чем он вызван.

В современной медицине широко распространено использование кислородных концентраторов, с целью предотвращения гипоксии и для поддержания жизни пациента.

Кислородную терапию используют при следующих патологиях:

- бронхиальная астма;

- хроническая обструктивная болезнь легких;

- муковисцидоз

- легочная гипертензия; - сердечная недостаточность; - легочная недостаточность.

Легкие являются важнейшим звеном в комплексе систем, транспортирующих кислород и углекислоту, то есть осуществляющих газообмен между внешней средой и кровью. Нормальный газообмен обеспечивают три главные физиологические функции: вентиляция легких, диффузия газов и легочный кровоток. Недостаточность транспорта кислорода (и выведения углекислоты) возникает при нарушении одной из этих функции или сочетанной патологии всех их[1].

На диаграмме представлена распространённость заболеваемости в области применения кислородных концентраторов на 100 000 населения России (рисунок 1).

Рисунок 1. Распространённость заболеваемости в области применения кислородных концентраторов на 100 000 населения России [2].

Мы видим, что заболевания, для лечения которых применяется кислородная терапия, очень распространены в России. Приведенные заболевания, зачастую, приводят к гипоксии - недостатка кислорода в организме, независимо от того, чем он вызван. Легкие являются важнейшим звеном в комплексе систем, транспортирующих кислород и углекислоту, то есть осуществляющих газообмен между внешней средой и кровью. Нормальный газообмен обеспечивают три главные физиологические функции: вентиляция легких, диффузия газов и легочный кровоток. Недостаточность транспорта кислорода (и выведения углекислоты) возникает при нарушении одной из этих функции или сочетанной патологии всех их [1].

Кислородный концентратор - единственная возможность для облегчения самочувствия человека с заболеваниями, связанными с нарушения газообмена в организме, для его нормального существования без развития гипоксии. Переносной кислородный концентратор улучшает качество жизни и обеспечивает мобильность людей. Сегодня портативные концентраторы кислорода могут производить кислород постоянно, как стационарные, так и в пульс-дозовом режиме, а также в обоих режимах в зависимости от настроек. Аппарат для кислородной терапии выделяет кислород из атмосферного воздуха и подаёт его пациенту. Из газа, проходящего через специальный адсорбент, удаляется азот, углекислый газ и другие составные части атмосферного воздуха.

Переносной кислородный концентратор обладает следующими параметрами:

- производительность кислорода 1-5 литров в минуту;

- время автономной работы не менее 5 часов;

- уровень шума менее 50 Дб;

- вес не более 4 кг;

- габаритные размеры 30см х 40см х 30см.

Кислородный концентратор позволит повысить мобильность пациентов, избавить пользователей от необходимости осуществления заправки кислородных баллонов.

Обзор мирового рынка портативных кислородных концентраторов

Был проведен обзор рынка существующих кислородных концентраторов и проведен сравнительный анализ рассматриваемых аппаратов.

В таблице 1 представлена сравнительная характеристика рассмотренных приборов.

Таблица 1. Сравнительная характеристика кислородных концентраторов

На мировом рынке кислородных концентраторов наиболее широко представлены аппараты американских производителей. Такие устройства обладают приемлемыми характеристиками для обеспечения мобильности пациентов. Небольшие габариты, малый вес, низкий уровень шума не создадут пользователю дополнительных трудностей при использовании прибора. Также в условиях отсутствия источников питания - стандартных розеток 220 Вольт, 50 Гц, устройства способны функционировать и выполнять требуемые функции приемлемое время. Основным недостатком приведенных аналогов кислородного концентратора является высокая стоимость приборов.

Самым приемлемым аппаратом является китайский концентратор «JAY-5A». Недостатком китайского устройства является высокий вес, что приведет к возникновению трудностей у пользователей в использовании устройства, а также малое время работы в условиях отсутствия источника питания. кислородный концентратор биотехнический воздух

По результатам выполненного обзора можно сделать вывод, что на рынке представлено достаточно большое разнообразие кислородных концентраторов, все они имеют свои достоинства и недостатки, но ни один из существующих приборов не обладает приемлемой стоимостью, доступной для любого пользователя России.

Литературный обзор в области использования кислородных концентраторов

В медицине кислородные концентраторы используются в лечебно-профилактических целях, с их помощью проводят кислородную терапию для людей с легкой недостаточностью. Также кислородный концентратор можно использовать для вспомогательной кислородной терапии, когда отсутствует централизованная подача кислорода. Кислородную терапию назначают в послеоперационном периоде пациентам, имеющим нарушения дыхательной функции или страдающим сердечной недостаточностью [5].

В основе принципа работы портативного концентратора кислорода лежит технология, используемая для выделения требуемых видов газа от посторонних примесей, пропускаемых через специальный адсорбционный материал, под действием переменного давления. Он работает при температурах около окружающей среды и значительно отличается от методов криогенной дистилляции разделения газов. В качестве ловушки выделяемого газа используются специальные адсорбционные материалы (например, цеолиты, активированный уголь, молекулярные сита).

В процессах адсорбции под действием давления используется тот факт, что при высоком давлении газы, как правило, притягиваются к твердым поверхностям или «адсорбируются». Чем выше давление, тем больше газа адсорбируется. Когда давление снижается, газ выделяется или десорбируется. Процессы короткоцикловой адсорбции (КЦА) могут быть использованы для разделения газов в смеси, потому что различные газы склонны притягиваться к различным твердым поверхностям более или менее сильно. Если газовую смесь, такую как воздух, пропускать под давлением через сосуд, содержащий адсорбирующий слой цеолита, который притягивает азот сильнее, чем кислород, часть или весь азот останутся в адсорбенте, и газ, выходящий из сосуда, будет богаче кислородом, чем входящая смесь. Когда адсорбент полностью достигает конца своей способности адсорбировать азот, его можно регенерировать, уменьшая давление, тем самым высвобождая адсорбированный азот. Затем он готов к еще одному циклу производства обогащенного кислородом воздуха [4].

Это процесс, используется в медицинских концентраторах кислорода, предназначенных для пациентов с эмфиземой и другими заболеваниями, для которых требуется воздух, обогащенный кислородом, для дыхания.

На рисунке 2 представлена схема установки для адсорбционного разделения воздуха.

Рисунок 2. Схема установки для адсорбционного разделения воздуха [3].

Обозначения на схеме: А, Б -- адсорберы, Р -- ресивер, Д -- дроссель, В -- вентиль, 1---6 -- клапаны.

Атмосферный воздух, проходящий через систему клапанов, под давлением попадает в емкость с цеолитом А, где происходит процесс адсорбции азота. После чего, открывается клапан 2 и обогащённый кислородом воздух попадает к пациенту, при этом часть кислорода направляется в емкость Б через дроссель Д для удаления азота. Для равномерной подачи кислорода пациенту используется накопитель кислорода Р и вентиль В для регулировки подачи кислорода. Описание принципа работы кислородного концентратора кислорода

На рисунке 3 представлена структурная схема портативного концентратора кислорода.

Рисунок 3. Структурная схема портативного концентратора кислорода.

На рисунке 3 видно, что поток входящего воздуха проходит через блок предварительной фильтрации, где происходит двухэтапное очищение воздуха от мелко дисперсной пыли. После чего, он попадает в блок нагнетания воздуха. В ходе этого процесса воздух нагревается, поэтому его необходимо пропустить через блок регуляции температуры - специальный теплообменник, который охлаждает воздух до температуры окружающей среды. Дальше через блок распределения воздуха, он попадает в молекулярный фильтр, где происходит адсорбция азота. После чего, второй распределительный блок клапанов отправляет воздух в резервуар, где происходит накопление кислорода. Затем блок регуляции давления равномерно, с одинаковой скоростью, с осуществлением фильтрации кислорода от возможной цеолитной пыли, направляет кислород пациенту. Блок управления посредством специальных алгоритмов на основании показаний датчиков давления, находящихся в емкостях с цеолитами, а также датчика массового расхода выходящего газа, осуществляет управление работой системы. Пациент через панель управления имеет возможность отрегулировать скорость подачи и концентрацию кислорода. Выводы

Таким образом, разрабатываемый портативный концентратор кислорода, выделяющий кислород из окружающего воздуха, позволит:

1. Снизить стоимость устройства;

2. Снизить вес аппарата;

3. Обеспечить большее количество времени работы без использования сетевого питания.

Заключение

В рамках данной статьи была доказана актуальность разработки портативного кислородного концентратора путем оптимизации выбора элементной базы, за счет выбора более простых комплектующих компонентов, но обладающих значительно сниженной стоимостью при сохранении всех требуемых потребительских качеств. Также был проведен обзор аналогов в области существующих концентраторов кислорода на российском рынке и обзор литературы в области устройств, предназначенных для проведения кислородной терапии. Были изучены необходимые параметры кислородного концентратора и описан принцип его работы.

Список литературы

1. Рябов Г. А. Гипоксия критических состояний. - М.: Медицина, 2007. - 288 с.

2. Заболеваемость Заболеваемость населения РФ по основным классам болезни: сайт Федеральной службы государственной статистики. 2015.

3. Алехина М. Б., Конькова Т. В. Цеолиты для адсорбционных генераторов кислорода - 12.08.2011.

4. Chancellor T. J. Demster J., Ford A., Kliewer E., Shelden K. Portable Oxygen device design: membrane and pressure swing adsorption technology alternatives and market analysis - May 2, 2005/

5. Саввин Ю.Н., Кудрявцев Б.П., Шабанов В.Э., Шишкин Е.В. Клинические рекомендации по оказанию медицинской помощи пациентам с острой дыхательной недостаточностью. - М.: Медицина, 2015.

Аннотация

В данной статье выделяется актуальность разработки портативного кислородного концентратора. Выполнен обзор аналогов существующих кислородных концентраторов на современном российском рынке, литературный обзор в области заболеваний, связанных с нарушениями поступления кислорода в организм, аппаратов для поддержания искусственной вентиляции лёгких, аппаратов для обеспечения концентрирования кислорода из атмосферного воздуха, адсорбентов азота из атмосферного воздуха, с целью определения оптимальных режимов работы биотехнической системы. Описан принцип работы портативного кислородного концентратора.

Ключевые слова: кислородный концентратор, адсорбция, заболевания легких, воздух, разделение, кислород.

This article highlights the urgency of developing a portable oxygen concentrator. The review of analogues of existing oxygen concentrators in the modern Russian market, a literature review in the field of diseases associated with disturbances in oxygen intake, devices for maintaining artificial ventilation of lungs, apparatus for providing oxygen concentration from the air, nitrogen adsorbents from the atmosphere optimal operating modes of the biotechnical system. The principle of operation of a portable oxygen concentrator is described.

Keywords: oxygen concentrator, adsorption, lung diseases, air, separation, oxygen.

Размещено на Allbest.ru