הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

מאי 2002

פיתוח משאף חמצן נייד לסובלים מקוצר נשימה

פרוייקט מס' 211

תקציר לספר הפרוייקטים

פרוייקט גמר

הכינה: שירית אבירם

מנחה: נימרוד לב

2. תקציר מנהלים

2.1 נושא הפרוייקט:

"פיתוח משאף חמצן נייד לסובלים מקוצר נשימה" הינו פרוייקט המבוצע עבור חברת Medihale, חברת הזנק ישראלית, העוסקת בפיתוח מכשור רפואי המיועד למטופלים הסובלים ממחלות ריאה.

הטיפול בעזרת המשאף המפותח מתבסס על מתן תערובת עשירה בחמצן, ותפקידו להעניק טיפול אשר ייקל על חולי אסתמה וסטרידור בזמן התקף הנובע מהיצירויות בדרכי הנשימה. הטיפול מתמקד בעיקר בהקלה על התקפי סטרידור שהיא מחלה חריפה בדרכי הנשימה העליונים, אשר פוגעת בעיקר בילדים קטנים, בגילאים 0-6 שנים.

2.2 מטרת הפרוייקט:

מטרת המשאף היא לתת תגובה מיידית ויעילה בזמן התקף סטרידור, אצל ילדים.

המטרה תושג ע"י מתן תערובת נשימתית, עשירה בחמצן, בעלת פרמטרים טובים יותר מהאוויר, אשר תינתן בטמפרטורה נמוכה של כ - ותקל על ההתקף ע"י שיפור זרימת הגז בצינורות הנשימה המוצרים, והקטנת התנגדות לזרימת אוויר בהם. זמן הטיפול ע"י המשאף יארך כ- 10 דקות.

2.3 מהות העבודה:

בשלב ראשון של הפרוייקט, נבחרה תערובת מתאימה בעלת פרמטרים נשימתיים טובים יותר משל אוויר, אשר משפרים את זרימת הגז הצינורות הנשימה המוצרים, ובכך מייעלים את עבודת הנשימה של החולה.

התערובת שנבחרה היא Heliox – תערובת המכילה חמצן והליום, והיא נבחרה המצאות שני קריטריונים עיקריים בה: צפיפות גז נמוכה וריכוז חמצן גבוה. בחירת התערובת הנ"ל התבססה גם על מאמרים ומחקרים רבים שנעשו בתחום הרפואה לגבי תערובת זו. מחקרים אלה קבעו שטיפול ב- Heliox יכול להועיל מאוד לחולי אסתמה ככלל ולחולי סטרידור בפרט.

שלב שני של העבודה הוא פיתוח מערכת מכאנית נישאת וקלה, אשר תספק את תערובת הנשימה הנ"ל לחולה בזמן ההתקף. בחירת המערכת התבססה על מערכות דומות הקיימות בשוק, כמו מערכות צלילה ומערכות אספקת חמצן לרפואה, והותאמה לדרישות התכנון מבחינה מכאנית ומבחינה תרמודינמית, על סמך תכונות תרמודינמיות של Heliox.

המערכת כוללת מספר מרכיבים עיקריים:

1. מיכל משמש ככלי קיבול של התערובת המיועדת לנשימה ע"י החולה בזמן הטיפול.

המיכל הינו מיכל דק דופן, עמיד בלחצים גבוהים של 200 אטמ', ומכיל כמות מספקת של תערובת עבור זמן טיפול של כ- 10 דקות. המיכל מיועד לשימוש חד פעמי ע"י המשתמש ומוגדר כאביזר מתכלה במערכת. (כלומר, אינו מאפשר מילוי ושימוש חוזר ע"י המשתמש, לאחר ריקונו).

תכנון המיכל כלל בחירת נפח ולחץ פנימיים וסוג חומר מתאים. עובי דופן המיכל חושב לפי מאמץ מקסימלי מותר במיכל לפי סוג החומר הנבחר.

המיכל כולל גם שסתום בטיחות אשר יגרום לשיחרור הגז בזמן התחממות פתאומית ולא מתוכננת של המיכל.

2. מערכת הפחתת לחץ וההפעלה – מערכת זו היא מערכת מכאנית אשר תפקידה להעביר את התערובת מהמיכל אל החולה בתנאים המתאימים לנשימה וקבועים ככל שניתן.

המערכת מוברגת אל המיכל לפני הטיפול וכוללת שלושה חלקים עיקריים:

* שסתום פתיחת המיכל.

* מערכת הפחתת לחץ בשתי דרגות.

* מערכת הפעלה ידנית, ע"י שיחרור שסתום.

אל המערכת מצורפת מסכה, שאותה ילבש החולה בזמן הטיפול.

2.4 תיאור המערכת הנבחרת ושלבי התכנון בה:

תכנון המערכת נעשה ע"פ קריטריונים פיזיולוגיים, הנדסיים וארגונומים.

תכנון המיכל –

§ נפח פנימי: נפח המיכל הדרוש חושב ע"פ נפח התערובת הדרושה לנשימה ע"י החולה (ילדים בין הגילאים 0 -6 שנים) במשך 10 דקות. חישוב נפח התערובת הדרוש נעשה ע"י נתונים פיזיולוגיים הנתונים כפונקציה של משקל האדם. לצורך התכנון נלקחו נתונים עבור ילדים בגיל 6 שנים מאחר ולהם דרוש נפח גדול יותר לנשימה.

§ לחץ: לחץ המיכל שנבחר הוא 200 אטמ' . הלחץ הנבחר הוא גבוה, במטרה להקטין את נפח המיכל ואת משקלו.

§ חומר: החומר הנבחר עבור המיכל הוא פלדה פחמנית אשר מאופיינית חוזק למתיחה מאוד גבוה. יתרון זה משפיע ישירות על עובי המיכל. ככל שעמידות החומר למאמצים גדולה יותר כך העובי המינימלי הנדרש קטן יותר.

§ עובי: עובי המיכל חושב ע"פ קריטריונים של חוזק חומרים ומציאת המאמץ המותר למתיחה במיכל (ע"י שימוש בחוזק מתיחה מקסימלי של החומר מחולק במקדם ביטחון מקובל). העובי הדרוש חושב מנוסחה מתאימה ע"י נתונים של קוטר המיכל לחץ ומאמץ מותר של החומר הנבחר, והוסף לו מקדם ביטחון נוסף.

§ שסתום פתיחה: המיכל נאטם ע"י קונוס אטימה פנימי. ברגע הברגת מערכת ההפעלה, מתאפשרת פתיחת המיכל ע"י דחיפתו של הקונוס פנימה לתוך המיכל, ובכך נפתח פתח ליציאת גז מהמיכל.

§ שסתום ביטחון: קונוס האטימה משמש גם כשסתום בטיחות כאשר המיכל במצב סגור. הקונוס יהיה עשוי ממתכת הניתכת בטמפרטורות נמוכות יחסית, וע"י ההתכה תוסר האטימה מהמיכל .

תכנון מערכת הפחתת הלחץ ומערכת ההפעלה –

§ מערכת הפחתת הלחץ:

המערכת מורכבת משתי דרגות -

- דרגת הפחתת הלחץ הראשונה תעשה דרך ווסת לחץ מאוזן, אשר פורק לחץ מהמיכל ללחץ ביניים קבוע (5 אטמוספירות), ללא תלות בשינוי הלחץ במיכל. הוויסות מתבצע ע"י מערכת כוחות מכאנית השואפת לשיווי משקל.

- הדרגה השנייה כוללת שסתום הצערה, ייחודי, מסוג Porous Plug, אשר מפחית את לחץ הביניים (קבוע) ללחץ מעט גדול מהלחץ האטמוספירי (1.2 אטמוספירות). לאחר יציאת הגז מהמערכת הוא ממשיך לזרום אל המסיכה שעל פני החולה, ללחץ אטמוספירי.

§ מערכת ההפעלה: מערכת ההפעלה תמצא בין שתי דרגות הפחתת הלחץ, וכוללת שסתום וידית הפעלה.

השסתום הינו כדור הנלחץ ע"י כוח קפיץכנגד זרימת הגז בלחץ הביניים. לפני פתיחת המערכת, כוח הקפיץ גדול מהכוח הנובע מלחץ הביניים. לחיצה על ידית ההפעלה גורמת לשינוי שקול הכוחות ולשיחרור השסתום, ובכך לפתיחת המערכת להתחלת זרימת גז החוצה.

§ מסכה: המסכה תשמש ככלי קיבול לתערובת הנשימתית אשר תזרום אליה מהמערכת. יתכנו 2 גדלים של מסיכות אשר יותאמו לגיל החולה.

תכנון תהליך התפשטות הגז -

בשלב זה התכנון נעזר בתכונות תרמודינמיות של התערובת בשילוב זרימה דחיסה ומעבר חום.

מטרת התהליך היא שהגז יעבור תהליך קירור תוך כדי, ועקב, ההתפשטות מהמיכל ללחץ הנמוך.

התהליך מתחלק ל-2 שלבים עיקריים:

שלב א' – תהליך לא תמידי של פריקת לחץ מהמיכל (לחץ משתנה עם הזמן) אל לחץ קבוע, לחץ הביניים.

שלב ב' – תהליך רציף ותמידי של ירידת לחץ מלחץ ביניים קבוע ללחץ אטמוספירי.

שטח החתך לזרימה, בשלב זה, חושב באמצעות נוסחאות מתאימות אשר נלקחו מהספרות ובהתאם לטמפרטורת וספיקת התערובת הדרושות ביציאה מהמערכת.

הטמפרטורה הדרושה ביציאה מהמערכת היא בין 5-10.

הספיקה המסית הדרושה ביציאה חושבה לפי נתונים פיזיולוגיים.

בנוסף לכף, נעשו חישובים עבור זמן התפשטות הגז/זמן הטיפול. מהחישובים התקבל שזמן הטיפול הוא כ- 8 דקות, כאשר הזמן המתוכנן לטיפול הוא כ- 10 דקות.

שרטוט המערכת נעשה ע"י תוכנת Solidworks.

שרטוט הרכבה של המערכת:

2.5 תוצאות ומסקנות -

המערכת שפותחה עונה על הצורך במתן מענה מיידיי לחולי סטרידור, בזמן התקף וליתר חולי אסמתיים במצבים קריטיים, לפני הגיעם לבית חולים.

ייחודו של המשאף בכך שהוא מעניק טיפול לא תרופתי, ויכול לצמצם את תופעות הלוואי המתפתחות עקב טיפול תרופתי.

הטיפול בעזרת המשאף מתבסס על רעיון ייחודי של מתן תערובת Heliox בטמפרטורה נמוכה.

יש לערוך ניסויים, במטרה לבדוק את נכונות התיאוריה וההנחות אשר נלקחו בחשבון בחישובי הטמפרטורה והספיקה ביציאה מהמערכת. ע"פ תוצאות ניסויים אלה יישקלו תוספות ושיפורים למערכת.

השפעת הטיפול, גם כן, צריכה להבדק בהמשך, ע"י עריכת ניסויים קליניים, לאחר בניית אב טיפוס למערכת.