氣動(dòng)為醫(yī)療技術(shù)增添生命力

氣動(dòng)：對(duì)于工程師而言，這個(gè)術(shù)語讓人想起嘶嘶聲閥門和執(zhí)行器通過自動(dòng)化工廠推動(dòng)零件的圖像。然而，幾十年來，氣動(dòng)技術(shù)已經(jīng)悄然發(fā)揮了另一個(gè)作用 - 醫(yī)療工作。環(huán)顧四周，你會(huì)明白為什么。大多數(shù)病人的房間都配有壓縮空氣連接器。每天，醫(yī)生，護(hù)士和技術(shù)人員都會(huì)為那些連接器提供救生設(shè)備。這些環(huán)境中的氣動(dòng)元件有助于提供給予生命的氧氣和藥物。外科醫(yī)生也使用氣動(dòng)裝置。大多數(shù)手術(shù)室都有壓縮空氣，氧氣，氧化亞氮和有時(shí)氮?dú)獾谋谑匠鲲L(fēng)口。在手術(shù)過程中，氣動(dòng)呼吸機(jī)可幫助嚴(yán)重麻醉的患者呼吸。氣動(dòng)工具可幫助外科醫(yī)生執(zhí)行嚴(yán)格的操作。

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十二年前，氣動(dòng)裝置也為醫(yī)學(xué)史上最受歡迎的設(shè)備之一 - 羅伯特·賈維克(Robert Jarvik)著名的人造心臟提供動(dòng)力。心臟連接到一個(gè)375磅的電動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，為醫(yī)學(xué)先驅(qū)Barney Clark增添了112天的生命。

多年來，患者一直在家中使用氣動(dòng)系統(tǒng)。氧氣濃縮器為慢性肺病患者提供緩解。氣動(dòng)袖帶有助于將血液推入四肢，并且循環(huán)不暢。整形外科設(shè)備，如氣動(dòng)床和鑄件，可以幫助受傷的病人更快地獲得。

即使在工廠中，氣動(dòng)裝置在注射器，橡膠手套和X射線膠片等產(chǎn)品的生產(chǎn)中也起著關(guān)鍵的醫(yī)療作用。三個(gè)例子說明了氣動(dòng)裝置在醫(yī)療行業(yè)中的作用。它們發(fā)生在醫(yī)院，家中，最后是在加工廠的特殊應(yīng)用中。

高流量呼吸機(jī)適合大型動(dòng)物手術(shù)

大型動(dòng)物的手術(shù)要求與人類的手術(shù)要求截然不同。例如，肺部衰竭中的1,500磅馬可能需要的氧氣量是同樣條件下人的4倍。

然而呼吸機(jī) - 為嚴(yán)重麻醉的患者呼吸的機(jī)器 - 通常是為人類需求而設(shè)計(jì)的。“在過去，獸醫(yī)不會(huì)對(duì)患有呼吸窘迫的急性病動(dòng)物進(jìn)行手術(shù)，”總部兼首席設(shè)計(jì)工程師Bob Pearson指出，該公司位于加利福尼亞州Irvine市的呼吸機(jī)制造商。“他們沒有機(jī)器讓他們通風(fēng)，所以他們會(huì)對(duì)他們實(shí)施安樂死。”

這種解決方案并不適合珍貴的農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物，種畜，表演馬和賽馬的主人。他們想要拯救他們珍貴的動(dòng)物。

Pearson與俄勒岡州立大學(xué)的獸醫(yī)合作，提供了一種解決方案：大型動(dòng)物的呼吸機(jī)。Pearson在從響尾蛇到Limousine Bulls等動(dòng)物身上測(cè)試了呼吸機(jī)，了解了應(yīng)用的需求。因此，他和他的女兒雷切爾設(shè)計(jì)了一種機(jī)器，可提供更高的氧氣流速，更好的血液吸收氧氣，更好地控制呼吸，以及更高的整體安全性。

據(jù)報(bào)道，最終產(chǎn)品，即Rachel Model 2800大型動(dòng)物麻醉呼吸機(jī)，在市場(chǎng)上任何呼吸機(jī)的最高峰值氣體流速下運(yùn)行。雖然人體呼吸機(jī)通常以每分鐘100升的峰值流量運(yùn)行，但野鴨的大型動(dòng)物版本每分鐘可超過600升。為了實(shí)現(xiàn)這樣的流動(dòng)，皮爾遜重新設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的醫(yī)用文丘里管，并在他的呼吸機(jī)中使用了兩個(gè)，而不是一個(gè)。串聯(lián)文丘里管使機(jī)器的流速比市場(chǎng)上任何其他大型動(dòng)物呼吸機(jī)高50%。

然而，使用串聯(lián)文丘里管意味著Mallard的機(jī)器必須在比傳統(tǒng)呼吸機(jī)更高的壓力下運(yùn)行。大多數(shù)呼吸機(jī)在50 psi下運(yùn)行，而野鴨機(jī)組的運(yùn)行壓力為100 psi。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Pearson采用了來自Clippard Instrument Laboratory，Inc.，Cincinnati的各種Minimatics氣動(dòng)元件，所有這些都能承受250 psi的壓力。其中包括：三通閥，電子閥，微型先導(dǎo)執(zhí)行器以及許多其他閥門，軟管和配件。

除了提供更高的流速外，新機(jī)器還可以更好地控制麻醉劑的輸送。Pearson說，有了它，臨床醫(yī)生可以選擇每次呼吸更精確的麻醉劑量，然后輸送到患者的肺部。這允許更精確地控制麻醉深度。他通過使用倒置波紋管來實(shí)現(xiàn)這一目的 - 通常僅用于人體呼吸機(jī)的組件。真空釋放。在過去，工程師沒有在大型動(dòng)物呼吸機(jī)上使用倒置波紋管，因?yàn)檩^大的尺寸會(huì)提供太多“

Pearson的職業(yè)生涯大部分時(shí)間都是為新生兒設(shè)計(jì)呼吸機(jī)，他的新系統(tǒng)采用了人體呼吸機(jī)技術(shù)。呼吸機(jī)具有基于微處理器的電子控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了人體重癥監(jiān)護(hù)呼吸機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。該裝置提供所選呼吸變量的LED顯示，同時(shí)減少患者的呼吸功，并提供呼氣壓力的完全控制。

早期版本的2800型號(hào)在1992年西班牙巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)上提供給獸醫(yī)。外科醫(yī)生在關(guān)節(jié)鏡膝關(guān)節(jié)手術(shù)期間使用該系統(tǒng)對(duì)兩匹馬進(jìn)行了幾天的馬術(shù)比賽。“如果沒有麻醉呼吸機(jī)，它們就無法完成手術(shù)。一匹馬根本不會(huì)容忍在其膝蓋內(nèi)插入瞄準(zhǔn)鏡，”Pearson解釋說。

現(xiàn)場(chǎng)總線歧管有助于將牛血轉(zhuǎn)化為人類使用

每隔幾個(gè)月，全國各地的血庫都會(huì)發(fā)出絕望的公共服務(wù)信息，希望吸引捐贈(zèng)者并重建他們危險(xiǎn)的低血壓。盡管他們做出了最大努力，但血液短缺仍在繼公共衛(wèi)生官員擔(dān)心與艾滋病有關(guān)的問題削弱了捐助者的善意。

總部位于馬薩諸塞州的公司可能會(huì)解決這個(gè)問題。馬薩諸塞州劍橋的Biopure公司正在開發(fā)一種由牛血紅蛋白制成的專利人血液替代品，該牛血紅蛋白是作為肉類加工業(yè)的副產(chǎn)品獲得的。

Biopure的工廠使用大型不銹鋼罐，直徑為3英寸和4英寸的管道輸送公司生命的液體。流體從罐到罐移動(dòng)，用于超精細(xì)凈化，分離，加熱，冷卻，攪拌，混合和各種其他過程。該公司采用氣動(dòng)系統(tǒng)打開或關(guān)閉閥門，并打開或關(guān)閉液體流向容器。

Bailey Controls Co.的Bailey Infi-90 DCS分布式控制系統(tǒng)為工廠范圍的工藝提供電子控制。它通過4-20 mA電流回路提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。Bailey專有的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和控制工廠周圍過程儀表的信號(hào)。

凈化和整理血液的過程包括在清潔環(huán)境中進(jìn)行的大約九個(gè)步驟。有些過程需要幾個(gè)小時(shí);其他人持續(xù)一周。流程整合。為了將電子和氣動(dòng)裝置集成在工廠周圍的眾多輸入/輸出點(diǎn)，Biopure采用了紐約Hauppauge的Festo公司的特殊現(xiàn)場(chǎng)總線歧管。歧管有助于在安裝過程中降低成本和勞動(dòng)時(shí)間。“我們決定通過使用Festo FPC 405 PLC作為DCS的網(wǎng)關(guān)將氣動(dòng)裝置合并到DCS中，”Tony Fenn說，Biopure的研發(fā)工程師。“我們希望保持Bailey DCS系統(tǒng)所提供的安全性和冗余性，同時(shí)還能顯著節(jié)省數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線提供的布線工時(shí)和成本。”

Festo和Bailey開發(fā)了特殊的DCS /現(xiàn)場(chǎng)總線接口。Festo為該項(xiàng)目提供了現(xiàn)場(chǎng)總線閥門歧管和組裝的特殊不銹鋼機(jī)柜。

“我們有超過20個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制節(jié)點(diǎn)安裝在不銹鋼機(jī)柜中，”Fenn說。每個(gè)機(jī)柜包含26或52個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥，安裝在模塊化閥歧管上，帶有集成的現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)，用于引導(dǎo)較大的過程閥。

除了歧管的勞動(dòng)力和成本節(jié)省設(shè)計(jì)之外，閥門的主要選擇標(biāo)準(zhǔn)還以流量為中心。模塊化歧管采用固態(tài)電子元件，消除了與傳統(tǒng)歧管相關(guān)的所有分立布線。

“通過使用現(xiàn)場(chǎng)總線閥門歧管而不是舊的分立式接線方法，Biopure節(jié)省了連接1,000個(gè)離散I / O點(diǎn)的時(shí)間，人工和成本，”Fenn解釋道。緊湊的模塊化閥門歧管設(shè)計(jì)還可以根據(jù)需要更輕松地維護(hù)，更改和升級(jí)系統(tǒng)。

新擴(kuò)建的工廠將擁有超過4,000千克血紅蛋白的年度峰值處理能力。Biopure的聯(lián)合創(chuàng)始人，董事長兼首席執(zhí)行官Carl Rausch表示：“人類使用的潛在產(chǎn)品，一旦獲得批準(zhǔn)，將開始減少全球每年約1億單位人血的缺口。”

提升閥可承受濃縮器的干燥空氣

對(duì)于慢性肺病的患者，可靠的氧氣輸送是至關(guān)重要的。肺氣腫，肺癌和艾滋病等受害者通常在家中呼吸濃縮氧氣。對(duì)于那些人來說，集中器的連續(xù)運(yùn)行是必須的。

這種氣動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)的制造商面臨著困難的設(shè)計(jì)限制：與閥門接觸的空氣必須是干燥的或無潤滑的。因此，這些系統(tǒng)中的氣動(dòng)元件不能獲得與工業(yè)氣動(dòng)相同的潤滑水平。

無桿閥門。當(dāng)Puritan-Bennett公司的工程師開始設(shè)計(jì)新的Companion 590濃縮器時(shí)，其中一個(gè)目標(biāo)是解決無潤滑空氣的挑戰(zhàn)。他們的重點(diǎn)是：找到氣動(dòng)閥門，當(dāng)受到無潤滑空氣時(shí)不會(huì)粘住。

解決方案：由Humphrey Products Co.，Kalamazoo，MI制造的隔膜提升閥。Humphrey的Mini-Mizer 250A采用雙隔膜提升閥設(shè)計(jì)，采用橡膠對(duì)金屬座面，無需潤滑。根據(jù)Humphrey工程師的說法，提升閥可以提供40,000小時(shí)或2000萬次循環(huán)的可靠運(yùn)行。

使用相同概念的Humphrey閥門被證明是著名的Utahdrive的關(guān)鍵元素，它為Jarvik心臟提供動(dòng)力。“我們選擇該閥門的原因之一是因?yàn)樗荍arvik心臟空氣模塊中使用的原始設(shè)計(jì)之一，”Puritan-Bennett產(chǎn)品支持經(jīng)理Steven Clark指出。“在這里，它必須在相同的非常干燥的條件下運(yùn)行。”

這種設(shè)計(jì)是閥芯和套筒閥的替代品，在無潤滑的環(huán)境中也不能保持。“閥芯式閥門使用內(nèi)部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，在潤滑時(shí)更有效，”Humphrey銷售經(jīng)理Mike Hammond指出。“但提升閥不使用滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此它們不會(huì)粘住。”

在運(yùn)行過程中，雙隔膜提升閥轉(zhuǎn)換打開和關(guān)閉，充電和清洗濃縮器的分子篩罐。與所有氧氣濃縮器一樣，Companion 590通過吸入室內(nèi)空氣，壓縮并通過分子篩床進(jìn)行操作。篩床吸附空氣中的氮。結(jié)果，聚光器的用戶通過附著的掩模接收超過90%的純氧。

為了確保這種純度，Puritan-Bennett工程師使用提升閥和三分之一馬力的無油空氣壓縮機(jī)，來自密歇根州Benton Harbor的Gast Manufacturing公司和威斯康星州Sheboygan的Thomas Industries公司。

然而，連續(xù)操作的一個(gè)關(guān)鍵是提升閥。沒有它，閥門可能會(huì)因缺乏潤滑，濕氣或香煙煙霧而屈服。而且，如果瓣膜粘連，病情嚴(yán)重的患者就不會(huì)得到所需的氧氣。“我們的操作環(huán)境與工業(yè)氣動(dòng)設(shè)備不同，”Clark說。“我們的空氣非常干燥。對(duì)我們來說，使用我們知道不會(huì)粘住的閥門至關(guān)重要。”