Испарители - медицинская статья, новость, лекция

Определения

Пары, газы и критическая температура

Паром называется газообразное вещество, которое при комнатных температуре и давлении может переходить в жидкую форму. Пар может относительно легко конденсировать в жидкость; кроме того, он может легко испаряться.

Научное объяснение различий между паром и газом заключается в следующем. Для каждого газа существует максимальная температура (критическая температура), при которой может быть осуществлена его компрессия с последующим переходом из газа в жидкость. При температуре, превышающей критическую, газ не может стать жидкостью, независимо от показателей давления; при этом он будет являться уже газом, а не паром. Критическая температура варьирует в зависимости от вещества. Так, для закиси азота она составляет 36,5°С, поэтому при комнатной температуре закись азота является паром, а при компрессии в баллоне присутствует в жидком и газообразном видах. Лишь в нескольких географических точках мира, где температура при проведении анестезии превышает 36,5°С, закись азота ведет себя как газ. Напротив, кислород представляет собой газовую среду при любых климатических условиях до тех пор, пока его температура не становится ниже критической температуры - 118°С. В связи с этим, источники подачи жидкого кислорода должны поддерживать температуру ниже этого предела.

Препараты, которые мы называем "ингаляционными анестетиками", при комнатной температуре и атмосферном давлении являются жидкостями. Жидкости состоят из молекул, находящихся в постоянном движении и имеющих общее сродство. Если поверхность жидкости контактирует с воздухом или с другим газом, некоторые молекулы отрываются от поверхности. Это происходит в тех ситуациях, когда их энергия превышает энергию притяжения к другим молекулам. Данный процесс представляет собой испарение, которое увеличивается с нагреванием среды. Ингаляционные анестетики способны быстро испаряться и не требуют нагревания для того, чтобы превратиться в пар. Если мы нальем ингаляционный анестетик в какую-либо емкость, например, в банку с крышкой, со временем пар, образующийся из жидкости, будет накапливаться в свободном пространстве этой банки. При этом молекулы пара движутся и создают определенное давление. Некоторые из молекул пара будут взаимодействовать с поверхностью жидкости и снова переходить в жидкое состояние. В конце концов, этот процесс достигает равновесия, при котором одинаковые количества молекул будут покидать жидкость и возвращаться в нее. "Давление насыщенного пара" - это давление, создаваемое молекулами пара в точке равновесия. Если жидкость не содержится в замкнутом пространстве, процесс испарения продолжается до того момента, пока весь препарат не перейдет из жидкости в пар и не растворится в окружающей атмосфере. Таким образом, если оставить емкость с галотаном открытой, не закрыв ее крышкой, весь препарат может испариться уже через 1-2 ч.

Давление насыщенных паров (ДНП)

Как уже указывалось ранее, давление насыщенных паров (ДНП) определяется как давление, создаваемое паром в равновесии с жидкой фазой. Это давление зависит от препарата и его температуры. Если давление насыщенных паров (ДНП) равно атмосферному давлению, жидкость закипает. Так, вода на уровне моря при 100°С обладает давлением насыщенных паров (ДНП) = 760 мм рт. ст. (101,3 кПа).

Латентное тепло испарения

Для перевода вещества из жидкого состояния в пар или газ необходима энергия. Латентное тепло испарения определяется как количество энергии, которое необходимо для перевода 1 г жидкости в пар без изменения температуры. Чем более летучей является жидкость, тем меньше энергии для этого необходимо. Латентное тепло испарения выражается в кДж/г или кДж/моль, исходя из того, что различные препараты обладают различным молекулярным весом. При отсутствии внешнего источника энергии, она может быть взята из самой жидкости. Это приводит к остыванию жидкости (использование тепловой энергии). Если вы нанесете несколько капель галотана или эфира на запястье, вы почувствуете холод при его испарении, так как этот процесс забирает тепло от вашей кожи.

Летучесть

Это общий термин, который связан с давлением насыщенных паров (ДНП) и латентным теплом испарения. Чем более летучим является препарат, тем меньше энергии требуется для перевода жидкости в пар и тем больше давление создается этим паром при заданной температуре. Этот показатель зависит от характера температуры и от препарата. Так, трихлорэтилен менее летуч по сравнению с эфиром.

Примеры:

Снимите крышку с банки с краской, и вы почувствуете ее запах. Сначала запах достаточно сильный, так как в банке сконцентрирован пар. Этот пар находится в равновесии с краской, поэтому его можно назвать насыщенным. Банка была закрыта в течение длительного промежутка времени, и давление насыщенных паров (ДНП) представляет точку, в которой равные количества молекул краски становятся паром или возвращаются в жидкую фазу (краску). Очень скоро после того, как вы сняли крышку, запах исчезает. Пар диффундировал в атмосферу, а поскольку краска обладает низкой летучестью, в атмосферу выделяются лишь крайне незначительные ее количества. Если оставить емкость с краской открытой, краска остается густой до того момента, как она полностью испарится.

Сравним тот же процесс с бензином, который обладает большей летучестью. При снятой крышке, запах бензина продолжает сохраняться, так как с его поверхности испаряется большое количество молекул. В течение короткого промежутка времени в емкости не остается бензина, он полностью переходит в пар и попадает в атмосферу. Если емкость была наполнена бензином, при ее открывании в более жаркий день вы услышите характерный свист, а в холодный день она наоборот будет засасывать в себя воздух. Давление насыщенных паров (ДНП) выше в теплые дни и ниже - в холодные, так как оно зависит от температуры.

Испарители

Испарители представляют собой оборудование, предназначенное для доставки безопасных концентраций паров ингаляционных анестетиков в дыхательный контур больного. Ингаляционный анестетик попадает в испаритель в жидкой форме, а выходит из него в качестве пара в концентрации, установленной анестезиологом. Большинство испарителей обладают схожими конструктивными деталями: обходными каналами для прохождения паров и испарительной камерой.

Схема испарителя

Дыхательный газ поступает на вход испарителя. В точке А газ разделяется на 2 потока. Один поток поступает в обходной канал, второй направлен в испарительную камеру. Поток в испарительную камеру регулируется разделительным оборудованием. В испарительной камере газ насыщается парами анестетика. В точке В пар смешивается с потоком газа из обходного канала и поступает на выход из испарителя.

Тем не менее, большинство испарителей специфичны для определенного препарата, дозировка которого при этом зависит от его физико-химических характеристик.

Классификация испарителей

Большинство из классификаций испарителей носит академический характер. Многие из них достаточно громоздки и не имеют значения для клинического применения. С практической точки зрения важно различать характеристики испарителей, имеющие широкое применение. При желании, вы можете создать вашу собственную систему.

При этом актуальными могут быть следующие моменты:

♦    Тип подачи

При первом варианте газ втягивается через испаритель за счет снижения давления в конечном отделе системы; при втором - газ заполняет испаритель, продавливаясь через него под высоким давлением.

♦    Характер анестетика

Определяет, какой анестетик может быть использован в данном испарителе.

♦    Термокомпенсация

Указывает, является ли данный испаритель термокомпенсированным.

♦    Стабилизация по потоку

Важно определить оптимальную скорость газотока для данного испарителя.

♦    Сопротивление потоку

Определяет, какое усилие требуется для прохождения газа через испаритель.

В целом, испарители чаще всего классифицируются по типу подачи газа (испарители втягивания и испарители заполнения) и по наличию калибровки (с калибровкой и без калибровки). Калибровка - это термин, который используется для описания точности процедуры, протекающей в определенных условиях. Так, испарители могут быть калиброваны на подачу концентрации анестетика с погрешностью ±10% от установленных значений при газотоке 2-10 л/мин. Вне этих пределов газотока точность испарителя становится менее предсказуемой. Ниже приведены методы, которые используются на практике для улучшения результатов калибровки.

Структура испарителя

Основными компонентами испарителя являются испарительная камера и оборудование по разделению потока газа. Во всех ситуациях, кроме анестезии по открытому контуру, доставка пара пациенту осуществляется путем его прохождения через контур вместе с газом-носителем. Непосредственно в контур ингаляционные анестетики заливать нельзя, так как их давление насыщенных паров (ДНП) слишком высокое, и конечная концентрация также может быть слишком высокой, приводя к передозировке препарата. В связи с этим, для создания безопасной, предсказуемой и регулируемой концентрации анестетика и используется испаритель.

Большинство испарителей используют метод разделения газа-носителя на 2 потока. Один поток проходит через испарительную камеру, другой - обходит испаритель, прямо попадая в дыхательный контур без контакта с анестетиком. Отношение размера газотока к каждому из этих потоков получило название "разделительное соотношение". Разделительное соотношение регулируется, главным образом, при выборе концентрации препарата.

Исключением из правила служит модель испарителя "медный чайник", которая представляет испаритель, основанный на измерении потока.

За испарителем потоки газа с парами анестетика и без него смешиваются друг с другом. При калибровке испарителя его производитель предполагает, что все количество газа-носителя, проходящее через испарительную камеру, насыщается парами анестетика известной концентрации. Желаемая концентрация препарата при этом может быть достигнута путем изменения разделительного соотношения, что позволяет насытить дыхательную смесь парами анестетика и добиться необходимого клинического эффекта. 

Насыщенный пар создается за счет следующего оборудования:

♦    Для увеличения площади поверхности жидкость/газ, где происходит испарение, используются специальные фитили (диски для рассеивания газа). Эти фитили играют значительную роль в насыщении газа-носителя парами анестетика. Без данных устройств концентрация пара не сможет достигнуть давления насыщенных паров (ДНП), так как будет испаряться слишком малое количество анестетика.

♦    Разделительные перегородки представляют пластины или каналы, обеспечивающие смешивание газа с паром. При этом газ успевает насытиться парами до возвращения в анестезиологический контур.

♦    Оборудование для компенсации температуры. Так как давление насыщенных паров (ДНП) зависит от температуры, количество паров на выходе из испарителя может быть различным при разных температурах и фиксированном разделительном соотношении. При снижении температуры уменьшается и давление насыщенных паров (ДНП). Таким образом, концентрация анестетика на выходе из испарительной камеры падает, меньше пара попадает в газ-носитель, и снижается общая объемная концентрация (%). Эта ситуация может быть изменена при смене разделительного соотношения. Данный процесс получил наименование термокомпенсации. Ее можно достичь с помощью различных методов. Тем не менее, у всех этих методов есть один общий элемент - непрямое увеличение разделительного соотношения с падением температуры, без какого-либо изменения выбранных параметров.

Биметаллические пластины

Две металлических пластины растягиваются или сокращаются под действием температуры с разной скоростью. При снижении температуры пластины отходят от отверстия, увеличивая выход паров анестетика и компенсируя снижение парообразования при остывании.

Целью откалиброванного испарителя является обеспечение постоянного, предсказуемого выхода паров анестетика, которое коррелирует с выбранными параметрами испарителя при различных условиях окружающей среды.

Для возмещения охлаждающего эффекта испарения (латентное тепло) испарители изготавливают из материалов с хорошим теплопроведением, которые могут отдавать тепловую энергию жидкости. Примерами таких конструкций могут служить водяная баня испарителя ЕМО и толстое медное основание испарителей серии Тес. Могут быть использованы импровизированные тепловые раковины (оборачивание теплого влажного полотенца вокруг сосуда Бойля при использовании эфира).

Дальнейшая термокомпенсация (компенсация по потоку) осуществляется путем внутренних изменений разделительного соотношения, когда температура снижается или повышается. Наиболее распространенный способ для этого, использованный в испарителе Тес, биметаллические пластины, которые растягиваются или сокращаются c разной скоростью при изменении температуры; при этом открывается или закрывается выходное отверстие испарительной камеры. Альтернативным вариантом может служить испаритель типа Penlon, в котором специальные меха, заполненные эфиром, соединены с осевым клапаном. В результате изменений температуры меняются размер меха и положение осевого клапана. В свою очередь, эти процессы изменяют разделительное соотношение и поток. При охлаждении пара меха сжимаются, и отверстие увеличивается, обеспечивая больший выход анестетика.

Испарители втягивания

Основные особенности испарителей втягивания:

♦    Низкое внутреннее сопротивление газотоку

♦    Газ проходит через испаритель в дыхательный контур только на вдохе или при использовании самонадувающегося меха. В связи с этим, поток не является постоянным (пиковая скорость потока на вдохе 30-60 л/мин), а носит пульсирующий характер.

♦    Не требует подачи газа под давлением

Галотановый испаритель Goldman (схожий с моделями McKesson и Rowbotham-Triene)

Адаптирован с топливного насоса Leyland, является примером очень простого разделительного оборудования. Отсутствует термокомпенсация, поэтому выходная концентрация анестетика варьирует с температурой и снижается во время использования при остывании. Во время использования галотана его максимальная объемная концентрация достигает лишь 3%; это объясняется небольшими размерами испарительной камеры и отсутствием фитилей. Этот тип испарителя может быть использован в закрытом контуре, но данное положение требует пристального внимания, так как концентрация препарата на выходе зависит от того, находится ли пациент на спонтанном дыхании (низкая концентрация) или на ИВЛ (высокая концентрация). Кроме того, концентрация анестетика определяется скоростью газотока в контуре.

Срез испарителя для галотана Fluotec 2 (Cyprane, Великобритания)

Обратите внимание на металлическую основу испарителя, которая играет роль своеобразной раковины для сохранения тепла и специальные фитили для парообразования. Комплексная внутренняя конструкция клапана компенсации температуры обуславливает высокое внутреннее сопротивление, в отличие от испарителя EMO.

Оксфордский миниатюрный испаритель

♦    Портативен

♦    Возможно использование нескольких ингаляционных анестетиков

♦    Облегчены уход и сервисное обслуживание

♦    Есть специальный фитиль

♦    Отсутствует термокомпенсация

♦    Небольшая тепловая раковина, содержащая гликоль

Эфирный испаритель EMO, Оксфордские меха для вдувания и дыхательная система

Испаритель EMO (Epstein, Macintosh, Oxford)

♦    Надежен

♦    Тепловая раковина, основанная на принципе водяной бани

♦    Термокомпенсация за счет эфирных мехов

♦    Указатель уровня

Эфирный испаритель EMO

Обратите внимание на водяную баню, выполняющую функцию тепловой раковины, и на термокомпенсационное оборудование. Меха заполнены эфиром

Методика открытого контура (эфир или хлороформ) - маска Schimmelbusch и испаритель Ogston

♦    Скорость подачи капель определяет концентрацию анестетика на вдохе

♦    Фитиль из нескольких слоев

♦    Может наблюдаться замерзание за счет латентного теплообразования

♦    Необходима защита глаз в связи с возможностью холодовой травмы

Испарители заполнения

Испарители заполнения основаны на принципе, противоположном вакууму. Эти испарители сконструированы для использования с постоянным потоком газа под давлением и обладают высоким внутренним сопротивлением. Их современные модели специфичны для каждого анестетика и относятся к стабилизированным по потоку, т.е. работают при газотоке от 0,5 до 20 л/мин с точностью ±20%.

Сосуд Бойля

Этот тип испарителей предназначен для эфира; он не обладает функцией термокомпенсации и неспецифичен для различных анестетиков. Принцип данного испарителя заключается в следующем. При прохождении газа через эфир он превращается в пузырьки. Выходная концентрация анестетика возрастает при увеличении площади поверхности между газовой и жидкой фазами. При начале подачи эфира возможен быстрый рост его концентрации. Помните, что этот испаритель резко остывает при использовании с параллельным снижением концентрации анестетика на выходе. Это может привести к ослаблению эффектов анестезии и даже к пробуждению больного. В связи с данной конструктивной особенностью, сосуд Бойля может использоваться с наружным источником тепла (горячее полотенце или теплая водяная баня). Требует частого заполнения анестетиком.

Галотановый испаритель Тес 2 (Ohmeda)

♦    Наличие термокомпенсации

♦    Биметаллические пластины

♦    Серия фитилей

♦    Металлическая тепловая раковина

Существует много других, более новых моделей испарителей; в первую очередь, для низкопоточной анестезии по полузакрытому контуру. Эти испарители характеризуются наличием больших фитилей, сопротивлением на выходе для того, чтобы снизить эффект подкачки, и металлическими тепловыми раковинами.

Эффект подкачки (увеличение концентрации пара на выходе испарителя при низком потоке)

Этот эффект может возникать в испарителях заполнения в первую очередь при низкой скорости газотока; при этом на испаритель воздействует обратное давление. Как правило, эффект подкачки характерен для ИВЛ и вентиляции на вспомогательных режимах.

Во время вдоха повышается давление в дыхательном контуре и испарительной камере. Это приводит к обратному забросу пара из испарительной камеры на вход испарителя и, в последующем, в газоток, который шунтируется от испарителя. При этом обходной газоток загрязняется парами анестетика, что может вести к подаче его неточной концентрации на выходе. Конструкторы испарителей стараются свести данный эффект к минимуму за счет увеличения внутреннего сопротивления, что, в свою очередь, снижает заброс анестетика в испарительную камеру. Кроме того, в предотвращении эффекта подкачки может играть роль установка на выходе специального клапана, поддерживающего постоянное давление в испарительной камере. Дополнительно может быть увеличено сопротивление на входе в испаритель (Drager).

Эффект давления (снижение концентрации пара на выходе испарителя при высоком потоке)

Присутствует в испарителях заполнения при ИВЛ с высокой скоростью газотока и имеет небольшое практическое значение. Положительное давление сжимает газ-носитель, концентрируя его. При высвобождении давления (выдох) объем увеличивается, плотность газа падает, и концентрация пара снижается.

Безопасность испарителя

Для того, чтобы обеспечить безопасность использования ингаляционных анестетиков, могут быть применены следующие меры:

♦    Специальная маркировка приспособлений для залива ингаляционных анестетиков, позволяющая исключить ошибки при выполнении этой манипуляции

♦    Указатель уровня препарата

♦    Надежный крепеж испарителя, предотвращающий разлив анестетика

♦    Правильное размещение испарителя в контуре

♦    Испарители заполнения размещаются за ротаметрами и перед кислородом

♦    Испарители втягивания располагаются перед дыхательным мехом или мешком

♦    Система специальных замков, предотвращающая некорректное использование различных испарителей

♦    При размещении нескольких испарителей в контуре испарители для анестетиков с более высоким давлением насыщенных паров (ДНП) размещаются в конце. Менее летучие анестетики обладают более низким разделительным соотношением, что снижает контаминацию испарителя, расположенного дальше по ходу контура. Галотановый испаритель располагается последним, для того, чтобы избежать контаминации других испарителей тимолом

♦    Мониторинг анестетика, подтверждающий, что его концентрация в контуре является адекватной

Потенциальные опасности

♦    Переполнение испарителя может привести к непредсказуемому изменению концентрации анестетика на выходе. Жидкий анестетик при этом попадает в контур в избыточном количестве, и концентрация препарата на вдохе резко повышается или, наоборот, при снижении площади поверхности фитиля, снижается. При переполнении испарителя необходимо слить анестетик до рекомендуемого уровня.

♦    Перекрестное или обратное соединение также ведет к непредсказуемому эффекту на выходную концентрацию анестетика. В испарителях Тес производители указывают, что уровень препарата может повышаться в 2 раза. В связи с этим нужно избегать таких технических ошибок.

♦    Опрокидывание испарителя может привести к повышению концентрации ингаляционного анестетика, так как при этом препарат попадает на вход разделительного оборудования. Кроме того, газ в обходном канале также будет загрязнен парами анестетика. После опрокидывания до начала использования через испаритель необходимо пропустить свежий газ в течение 10 мин при газотоке 10 л/мин. В качестве альтернативы можно оставить испаритель в обычном положении до следующего дня.

♦    Некорректное заполнение испарителя другим препаратом. Выходная концентрация анестетика может не соответствовать установленной. Это может вести к передозировке анестетика или к слишком поверхностной анестезии.

Гипобарическая и гипербарическая окружающая среда

В этих ситуациях концентрация анестетика тоже может изменяться. Давление насыщенных паров (ДНП) может оставаться на прежнем уровне, так как зависит только от температуры. Тем не менее, изменение атмосферного давления оказывает свои, независимые от температуры эффекты. В связи с этим, МАК анестетика в % может оказаться не соответствующей действительности, и опираться стоит лишь на величины в мм рт. ст. или кПа.