دانشکده مهندسی پزشکی

)(oxygen concentrator اکسیژن ساز خانگی

اکسیژنساز خانگی یک دستگاه ساده و قابل حمل است که برای بیماران تنفسی مورد استفاده قرار میگیرد. پیش از ساخت این دستگاه، بیماران تنفسی برای استفاده از اکسیژن خالص و سالم دو راه داشتند .
اول استفاده از سیستمهای اکسیژنرسانی بیمارستانها مانند شلنگهای اکسیژن و دستگاههای اکسیژنساز بیمارستانی و... و دوم ترخیص از بیمارستان و استفاده از کپسول اکسیژن در منزل. استفاده از کپسول اکسیژن مشکلات متعددی برای بیمار ایجاد میکرد. مثلا نیازمند مراقبت همیشگی برای بررسی سطح اکسیژن باقی-مانده در آن دارد، نیاز به پر کردن دارد و این کار هزینهبر است، معمولا به صورت دستی تنظیم میشود و درنتیجه نیازمند کاربر آموزش دیده است و... ولی دستگاه اکسیژنساز خانگی با کاربری ساده و با اتصال به برق و داشتن باتری پشتیبان برای زمان قطعی برق، میتواند تا 99 درصد خلوص اکسیژن را برای بیمار در منزل به صورت دائمی تهیه کند .در زمان شیوع ویروس کرونا و با توجه به درگیری بخش زیادی از جامعه با آن و اشباع بیمارستانها برای نگهداری بیمارانی که مشکلات حادی ندارند، تولید این دستگاه بیش از پیش اهمیت یافته است.

اجزای دستگاه

یکی از بهترین راههای تولید اکسیژن خالص، استفاده از روش جذب نوسان فشار (PSA^{^[1]}) است که با استفاده از مادهای به نام زئولیت²، نیتروژن را که جزء اصلی هوای محیط است، از آن جدا کرده و اکسیژنی با خلوص بالاتر و بدون خطر تولید میکند. بخش الکترونیکی این دستگاه شامل دو برد تحت عنوان نمایشگر و کنترلکننده است که مسئولیت پایش و کنترل اجزای مختلف برای گرفتن خروجی مطلوب از نظر فشار، دما ،خلوص و سایر عوامل سازگار با زیست را به عهده دارند.

اجزای اصلی مکانیکی تشکیل دهندهی اغلب اکسیژنسازها مشترک و به شرح زیر هستند که به تفکیک توصیف میشوند:

نمای داخلی دستگاه

1- فیلترها
فیلترهای ورودی دستگاه اکسیژنساز 2 نوع است:

فیلتر اول از جنس پلی اورتان یا همان ابر صنعتی می باشد که وظیفه جذب گرد و غبار موجود در هوای ورودی را بر عهده دارد. این فیلتر قابل شستشو بوده و باید هر هفته یکبار با آب معمولی بدون شوینده شسته و خشک شود.
فیلتر دوم یا همان فیلتر جذب ذرات با بازدهی بالا )HEPA(³ معروف به هپا از جنس کاغذی می باشد که اندازه و شکلهای متفاوتی دارد و بسته به شرکت سازنده دستگاه اکسیژنساز زمان تعویض متفاوتی دارد اما به صورت رایج هر 6 ماه یکبار تعویض میشود.
فیلتر خروجی از یک فیلتر ضد باکتری بوده که وظیفه حذف باکتریها و ذرات میکرونی را دارد تا اکسیژن خروجی یک اکسیژن سالم و از نوع پزشکی جهت تنفس بیمار باشد.

فیلترهای دستگاه اکسیژنساز

فشرده کننده هوا

وظیفه فشردهکننده، مکش هوای محیط اطراف به درون دستگاه و فشردهکردن⁴ آن است. فشردهکننده اکسیژنسازها اغلب پیستونی از نوع خشک یا بدون روغن است. هوای مکیدهشده به درون دستگاه بعد از عبور از فیلترهای ورودی وارد فشردهکننده شده و سپس تحت فشار مشخصی به درون سیلندرهای زئولیت هدایت میشود.
بیشترین میزان صدا و ارتعاش دستگاههای اکسیژنساز به دلیل کارکرد فشردهکننده میباشد. به همین دلیل در ساخت دستگاهها اغلب سعی میشود تا صدای فشردهکننده کنترل شود و با روشهایی مثل قرار دادن فشردهکننده درون جعبه و یا سوار کردن آن بر روی فنر این کار را انجام میدهند. روش دوم نسبت به روش اول برتر است زیرا قرار دادن فشردهکننده درون جعبه به مرور زمان منجر به کاهش طول عمر آن میشود.

فشرده

اکسیژن

هوای

کننده

ساز

شیر برقی یا دریچه متحرک:

این دریچه یک دریچه چهار مسیره است. از یک طرف رابط بین فشردهکننده و سیلندرهای زئولیت بوده و از طرف دیگر خروجی اکسیژن میباشد. هوای ورودی را به سیلندرهای زئولیت رسانده و از طرف دیگر کار خارج کردن نیتروژن از سیلندرها و خارج نمودن آن از دستگاه را انجام میدهد. به دلیل اینکه شیر برقی مرتب بین دو سیلندر زئولیت در حال جابجا شدن است، به آن دریچه متحرک گفته میشود.

نمونه شیربرقی

4- سیلندرهای زئولیت:
در دستگاه اکسیژنساز دو سیلندر که از گرانولهای زئولیت پر شده اند، وظیفه خالصسازی گاز اکسیژن را بر اساس روش نوسانات جذب سطحی بر عهده دارند و عملکرد آن بدین گونه است که گاز نیتروژن را جذب کرده و گاز اکسیژن را از بین تخلخل های خود عبور میدهند. بعد از اینکه گرانول ها از گاز نیتروژن اشباع شدند، خالصسازی اکسیژن در این ستون متوقف شده و در ستون دیگر آغاز میشود. دستگاه شروع به خارج نمودن گاز نیتروژن از ستون کرده و مجددا فرایند تخلیص از نو آغاز میشود.

سیلندرهای زئولیت

زئولیت یک ماده معدنی است که عمدتاً از آلومینوسیلیکات تشکیل شده و کاربرد تجاری عمده آن درصنایع به عنوان جاذب سطحی است. واژه زئولیت در اصل در سال 1۵۷6 توسط کانیشناس سوئدی اکسل فردریک کرونستد^۷ ابداع شد. نام زئولیت از ترکیب دو واژه یونانیζέω (zéo) ، به معنی «جوش» وλίθος (lithos)، به معنای «سنگ» تشکیل شدهاست.

پودر زئولیت اکسیژنساز

۷- مخزن اکسیژن:
    بعد از تخلیص گاز اکسیژن و خارج شدن آن از سیلندرها، گاز اکسیژن در مخزنی به نام مخزن اکسیژن ذخیره میشود و در اینجا میزان فشار اکسیژن توسط یک تنظیمکننده تنظیم شده و به سمت خروجی دستگاه هدایت میشود.
6- جریانسنج:
    جریانسنج شبیه به یک خطکش مدرج است که بر حسب لیتر بر دقیقه درجهبندی شده و وظیفه تنظیم گاز اکسیژن خروجی را بر حسب لیتر بر دقیقه بر عهده دارد .جریانسنج در قسمت خارجی دستگاه قرار دارد و کاربر میتواند با چرخاندن یک شیر، آن را به راحتی تنظیم کند
۵- لیوان مرطوب کننده:
    در قسمت خروجی دستگاه اکسیژنساز، لیوان مرطوبکننده قرار دارد که اکسیژن خروجی از داخل آن عبور کرده و مرطوب میگردد. مقدار آب مورد نیاز لیوان مرطوب کننده اکسیژنساز بر روی آن مشخص شده و نباید کمتر یا بیشتر از این مقدار آب در لیوان ریخت. آب مورد استفاده داخل لیوان مرطوبساز بایستی فقط آب مقطر )یا آبی که از دستگاه تصفیه آب خانگی بدست میآید( باشد و هر هفته یکبار سوراخهای شلنگ داخل لیوان، توسط سرکه سفید جرمزدایی شده و یا توسط سوزن ،سوراخهای آن باز شود. به دلخواه در نسخههای به روزتر میتوان سیستمی برای افزایش دمای هوای وارد شده به بدن نیز اضافه کرد که اکسیژن گرم و مرطوب مورد استفادهی بیمار قرار گیرد.

لیوان مرطوب کننده

8- بخش الکترونیکی
همانطور که اشاره شد این بخش از دو برد تشکیل شده که مسئولیت کنترل فرمانها و کاربری دستگاهرا به عهده دارند.

روش کار

مراحل عملکرد دستگاه اکسیژنساز به صورت زیر است:

- هوای اطراف )هوای محیط اتاق( در ورودی دستگاه ابتدا از فیلتر گرد و غبار و سپس فیلترها عبور کرده و وارد فشردهکننده پیستونی میشود .فشردهکننده هوای ورودی را فشرده ساخته و به سمت سیلندرهای زئولیت هدایت میکند.
- هوای وارد شده به ستونهای زئولیت توسط گرانولهای زئولیت به ترتیبی که گفته شد تجزیه میشود .

مولکولهای کوچک گاز اکسیژن از تخلخلها عبور کرده و مولکولهای بزرگتر نیتروژن، جذب گرانولها می-شود. گاز اکسیژن خالص شده به سمت خروجی ستون هدایت میشود و گاز نیتروژن از طریق ورودی ستون برگشته و تخلیه میشود .فشردهکننده ابتدا هوا را وارد یک ستون میکند تا کار تخلیص اکسیژن را انجام دهد .
فشردهکننده تا زمانی این کار را انجام میدهد که دانههای زئولیت این ستون از گاز نیتروژن اشباع شوند.
در این مرحله فشردهکننده به سمت ستون دیگر سوئیچ کرده و هوا را وارد ستون بعدی میکند. در طی این فاصله که فشردهکننده هوا را به ستون دوم میفرستد، نیتروژن ستون اول از قسمت ورودی ستون تخلیه میشود تا ستون مجددا آماده دریافت هوا و خالص سازی اکسیژن شود و به این ترتیب این سیکل در دستگاه ادامه مییابد.

- گاز اکسیژن از خروجی ستون زئولیت خارج شده و از طریق دریچههای یک طرفه به سمت تانک اکسیژن که ذخیره کننده گاز اکسیژن است هدایت میشود. در این تانک، میزان فشار اکسیژن از طریق تنظیمکنندههای فشار تنظیم شده و مجددا از میان یک فیلتر عبور میکند و به سمت حسگر خلوص اکسیژن و جریانسنج تنظیم جریان هدایت میشود.
- گاز اکسیژن رسیده به جریانسنج تنظیم جریان، پس از تنظیم جریان توسط کاربر به سمت خروجیدستگاه و لیوان مرطوبکننده و سپس نازل اکسیژن هدایت شده و توسط بیمار تنفس میشود.

    کاربر میتواند جریان خروجی اکسیژن را از ۰ تا 12 لیتر بر دقیقه برحسب نوع دستگاه تنظیم نماید. جریان متداول معمولا صفر تا ۷ لیتر بر دقیقه است که بیماران اغلب اکسیژن را توسط شلنگهای مخصوص دریافت میکنند. مقدار جریان اکسیژن توسط یک شیر روی دستگاه تنظیم میشود. در بعضی مواقع ماسک صورت را میتوان جایگزین لوله کرد .این دستگاه میتواند متوسط 9۰ تا 9۷ درصد از اکسیژن خلوص دریافت کند، ولی در بازه های عملکردی متفاوتی برنامهریزی شده است؛ به گونه ای که عملکرد صحیح آن در بازه ی خلوص 9۰ به بالاست. زمانی که خلوص اکسیژن به 82 تا 9۰ درصد برسد، دستگاه هشدار داده و اگر به کمتر از 82 درصد برسد، دستگاه عملا در حالت خطر است و در صورت عملکرد صحیح، چراغ عملکرد خلوص درست روشن شده و در صورت قرار گرفتن در بازه هشدار، چشمکزن شده و در صورت عدم عملکرد صحیح خاموش میشود. البته این حالت بر اساس استانداردهای مربوط به بیماران در نظر گرفته شده که بعنوان مثال با افت اکسیژن از یک مقدار خاص، دستگاه عملا اثرگذاری خود را از دست میدهد.
    از دیگر قابلیتهای این دستگاه میتوان به صدای کم و توان مصرفی پایین و صرفه جویی در برق شهر و طول عمر قابل قبول اشاره کرد.
    همانطور که اشاره شد این محصول از هوا به عنوان ماده اولیه خود استفاده میکند و برق 22۰ ولت شهری را به عنوان منبع تغذیه خود می بایست در اختیار داشته باشد. در این دستگاه از فیلتر غربالگری دقیق و فشردهکننده هوا با طول عمر بالای ۷۰۰۰ ساعت استفاده شده است. با توجه به این نکته که تولید اکسیژن در این روش کاملا فیزیکی میباشد، لذا این محصول برای تولید ایمن و پایدار اکسیژن در محیطی ایمن، بسیار مناسب است اما برای عملکرد صحیح و بهینه علاوه بر اینکه به محیط مناسب احتیاج دارد، نیازمند ملاحظات دیگر چه در نحوه استفاده و چه در فراهم آوردن شرایط محیطی و زمان استفاده و مراقبت و نگهداری و ...
است.

وضعیت پروژه

در کشورما نیز چند شرکت موفق شده اند دستگاه اکسیژن ساز را بومی سازی و تولید بکنند.

دروس پیشنیاز برای تولید محصول

مدار1
مدار2
آزمایشگاه مدار
الکترونیک 1
الکترونیک 2
آزمایشگاههای الکترونیک
میکروپروسسور
آزمایشگاه میکروپروسسور
تجهیزات پزشکی
کارگاه تجهیزات پزشکی
حفاظت و ایمنی سیستمهای تجهیزات پزشکی

تخصص افراد حاضر در تیم
این پروژه از دو بخش الکترونیکی و مکانیکی تشکیل شده است. تیم تحقیق و توسعه در شرکت از 4 نفر تشکیل شده بود. برای بخش مکانیکی که شامل طراحی سیلندرها، بدنه، کمپرسور و... و آشنایی با قوانین سیالات بوده است از یک متخصص مکانیک )گرایش بیومکانیک( و برای طراحی و ساخت بخش الکترونیکی از یک مهندس برق )الکترونیک( و دو مهندس پزشکی گرایش بیوالکتریک استفاده شده است. بحث استانداردهای پزشکی نیز توسط اعضای بیوالکتریکی گروه بررسی و لحاظ شده است .

خانم مهندس سیده هدی عثنی عشری(دانشجوی دانشکده مهندسی پزشکی) در پروژه ساخت اکسیژن ساز فعالیت میکنند.

[1] Pressure Swing Absorption Zeolite
[2] high-efficiency particulate absorbing

دفعات مشاهده: 749 بار | دفعات چاپ: 64 بار | دفعات ارسال به دیگران: 0 بار | 0 نظر