Mechanical design and simulation of an anesthetic vaporizer

Abstract

This work concerns the development of an anesthetic vaporizer prototype. The vaporizer dispenses anesthetic agent liquid (isoflurane, sevoflurane, desflurane) by injection, with subsequent vaporization and mixing with fresh gas (oxygen, nitrogen, nitrous oxide) in a mixing chamber. The research objective is to assess feasibility of liquid injection as an anesthetic agent dosing and vaporization method, and to compare performance with existing vaporizers.

The role of the vaporizer within an anesthesia system is presented. Physical and clinical properties of anesthetic agents are addressed. Dispensing characteristics of a port fuel injection valve are investigated. A methodology for prediction-based dispensing is devised. The mixing chamber is designed to promote convective liquid film vaporization and gas mixture swirl. Thermofluidic simulation models are generated to assess design functionality in various operating conditions.

Simulations provide an effective vaporization and mixture formation arrangement, with experimental correspondence found in validation cases. However, validation of partial processes in dispensing is difficult. Experiments confirm adequate vaporization capability at chamber temperatures significantly below agent-respective boiling points. Gas concentration output is sufficiently smooth in clinically relevant operating conditions. With prediction-based control, response times are comparable to modern vaporizers, providing a beneficial prognosis for use in feedback-controlled anesthesia. Achieving these results with an internal pressure source and agent sensor enables application in anesthesia systems of varying age and sophistication.

Tässä työssä käsitellään anestesiahöyrystinprototyypin suunnitteluprosessia. Höyrystin annostelee nestemäisiä anestesia-aineita (isofluraani, sevofluraani, desfluraani) ruiskutuksen avulla, höyrystää aineet ja sekoittaa ne tuorekaasun (happi, typpi, dityppioksidi) kanssa. Tutkimuksen tavoitteena on arvioida nesteruiskutuksen soveltuvuutta höyrystimien annostelumenetelmänä ja verrata prototyypin suorituskykyä olemassa oleviin höyrystimiin.

Työn teoriaosassa esitetään höyrystimen asema anestesiajärjestelmässä ja tarkastellaan anestesia-aineiden fysikaalisia ja kliinisiä ominaisuuksia. Imusarjaruiskuventtiilin annosteluominaisuudet tutkitaan ja ennustava annostelumenetelmä kehitetään. Sekoituskammio suunnitellaan edistämään ruiskutuksen iskeymäkohtaan muodostuvan nestekalvon konvektiivista höyrystämistä ja muodostuvan kaasuseoksen pyörteilevää liikettä. Virtaussimulointimalleja käytetään analysoimaan toiminnallisuutta eri olosuhteissa.

Simuloinnit tuottavat höyrystämisen ja sekoittamisen kannalta tehokkaan geometrian. Prototyypin mitatussa ulostuloseoksessa havaitaan hyvä vastaavuus simulointeihin, mutta osaprosessien vastaavuutta on vaikea todentaa. Kokeissa todetaan riittävä höyrystämiskyky huomattavasti ainekohtaisia kiehumispisteitä alemmissa kammiolämpötiloissa. Tuotettu kaasuseos on ajan suhteen riittävän tasainen kliinisesti merkittävissä toimintapisteissä. Ennustavalla ohjauksella saavutetaan moderneja höyrystimiä vastaava vasteaika, vahvistaen soveltuvuutta takaisinkytkennällä ohjatussa anestesiassa. Höyrystin tuottaa itse ruiskutuspaineen ja mittaa tuottamansa kaasun anestesia-ainepitoisuuden: Tämä mahdollistaa höyrystimen käytön eritasoisissa ja -ikäisissä anestesiakoneissa.