Thuốc gây mê dạng hít cần được đưa vào phổi để phát huy tác dụng. Tất nhiên, không thể chỉ đơn giản đổ thuốc vào phổi.

Một phương pháp được chấp nhận rộng rãi hơn nhiều là chuyển đổi thuốc gây mê dạng lỏng thành một dạng có thể đưa vào cơ thể bệnh nhân qua đường hô hấp. Cách thuận tiện nhất là cung cấp dạng “hơi (vapour)” của thuốc gây mê dạng lỏng thông qua thiết bị chuyên dùng để chuyển đổi chất lỏng thành hơi được gọi là bình bốc hơi (vaporiser)

Trước khi tiếp tục thảo luận về các bình bốc hơi, chúng ta cần hiểu “hơi” (vapour) là gì? Và để hiểu hơi là gì, chúng ta cần biết về khái niệm nhiệt độ tới hạn.

Nếu bạn lấy một chất khí và nén chất khí này thật mạnh, các phân tử cấu tạo nên nó sẽ bị đẩy lại gần nhau hơn. Khi bạn tiếp tục nén, đến một áp lực nhất định các phân tử sẽ kết hợp với nhau và chuyển chất khí đó thành chất lỏng.
Tuy nhiên, nếu nén chất khí ở trên một nhiệt độ nhất định, được gọi là “nhiệt độ tới hạn”, thì dù bạn áp dụng áp suất bao nhiêu đi nữa, chất khí đó cũng sẽ không trở thành chất lỏng. Nhiệt độ này được gọi là “nhiệt độ tới hạn” và mọi chất khí đều có nhiệt độ tới hạn riêng của nó.

Một chất khí hiện đang ở dưới nhiệt độ tới hạn của nó được gọi là “hơi”. Nếu được nén với đủ áp suất, nó sẽ ngưng tụ thành chất lỏng.

Một chất khí hiện đang ở trên nhiệt độ tới hạn của nó thì vẫn là một chất khí. Dù có nén mạnh đến đâu, nó cũng sẽ không ngưng tụ thành chất lỏng.

Lấy isoflurane làm ví dụ. Nhiệt độ tới hạn của isoflurane vào khoảng 200 độ C. Do đó, ở nhiệt độ phòng (ví dụ: 21 độ C), pha khí của isoflurane sẽ được gọi là “hơi isoflurane (isoflurane vapour)“.

Bây giờ, hãy thử tưởng tượng trong chốc lát rằng bạn làm việc trên sao Kim. Nhiệt độ bề mặt trên sao Kim vào khoảng 500 độ C.

Mục đích của một bình bốc hơi là thêm hơi thuốc gây mê vào dòng khí mới bằng cách cung cấp chính xác nồng độ thuốc gây mê đã được đặt tại đầu ra.

Dòng khí mới đi vào bình bốc hơi sẽ được phân chia vào hai đường dẫn. Van chia dòng (splitting valve), tùy thuộc vào vị trí được cài đặt trên đĩa điều khiển (control dial), sẽ điều chỉnh lượng khí đi qua mỗi đường dẫn.

Tại đầu ra của bình bốc hơi, dòng khí từ đường bypass (không có hơi thuốc) gặp dòng khí từ buồng bốc hơi (đã bão hòa hoàn toàn với hơi thuốc) và hai dòng khí này hòa trộn với nhau. Kết quả, nồng độ đầu ra cuối cùng phụ thuộc vào tỷ lệ lượng khí mới đi qua mỗi đường dẫn.

Khi bạn vặn đĩa điều khiển chọn một nồng độ gây mê cao, van chia dòng sẽ dẫn nhiều khí mới hơn đi qua buồng bốc hơi.

Tương tự, khi bạn vặn đĩa điều khiển chọn một nồng độ gây mê thấp, van chia dòng sẽ dẫn ít khí mới hơn đi qua buồng bốc hơi.

Qua đó, thấy rằng nồng độ thuốc gây mê ở đầu ra của bình bốc hơi được xác định bởi tỷ lệ giữa lưu lượng khí mới đi qua buồng bốc hơi và lưu lượng khí mới đi qua đường bypass. Tỷ lệ này được gọi là ‘tỷ lệ chia dòng’ (splitting ratio).

Bình bốc hơi cơ bản được mô tả phía trên có cấu tạo vô cùng đơn giản. Tuy nhiên, với cấu trúc cơ bản phía trên đi kèm cùng với một số vấn đề:

Như đã mô tả, một phần của lưu lượng khí mới sẽ đi qua buồng bốc hơi và mang theo thuốc mê.

Tuy nhiên, với thiết kế cơ bản, quá trình bốc hơi có thể diễn ra không hiệu quả. Khi dùng một lưu lượng khí mới cao, quá trình bốc hơi của thuốc mê không theo kịp khi lượng khí đi qua buồng bốc hơi quá lớn. Kết quả, so với lượng khí mới cao, lượng thuốc mê bốc hơi là không đủ. Điều này có nghĩa là với một lưu lượng khí mới cao, bình bốc hơi cơ bản sẽ cung cấp nồng độ thuốc gây mê thấp hơn so với nồng độ được cài đặt trên đĩa điều khiển.

Giải pháp được bổ sung vào các bình bốc hơi hiện đại để giải quyết vần đề này là nâng cao hiệu suất bốc hơi bằng cách tăng diện tích tiếp xúc bề mặt của khí mới và thuốc mê. Nhờ vậy, kể cả với một lưu lượng khí mới cao thì hiệu suất bốc hơi vẫn đảm bảo toàn bộ lượng khí đi qua buồng bốc hơi đều được bão hòa hoàn toàn. Nhờ vào khả năng bão hòa dòng khí mới ở mọi lưu lượng này, nồng độ thuốc mê tại đầu ra được duy trì chính xác giống với nồng độ cài đặt trên một lưu lượng khí mới lớn. Nói cách khác là nồng độ khí mê tại đầu ra không phụ thuộc vào lưu lượng khí mới. Giải pháp được các bình bốc hơi hiện đại sử dụng để giải quyết vấn đề này là nâng cao hiệu suất bốc hơi bằng cách tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dòng khí mới và thuốc gây mê. Nhờ vậy, ngay cả khi lưu lượng khí cao, quá trình bốc hơi hiệu quả đảm bảo toàn bộ lượng khí đi qua buồng bốc hơi đều được bão hòa hoàn toàn.

Một phương pháp mà các bình bốc hơi sử dụng để tăng hiệu suất bốc hơi là nhúng các bấc (wicks) hay còn gọi là sợi mao dẫn vào thuốc gây mê. Nhờ hiện tượng mao dẫn, thuốc gây mê được dâng lên trong các bấc. Điều này làm tăng đáng kể diện tích bề mặt của thuốc gây mê tiếp xúc với dòng khí mới đi vào buồng bốc hơi, và nhờ đó cải thiện hiệu suất của quá trình bốc hơi.

Một số bình bốc hơi (ví dụ: loại “Ấm Đồng – Copper Kettle”) sử dụng bong bóng để tăng diện tích bề mặt cho quá trình bốc hơi. Ở các bình này, một phần dòng khí mới được dẫn sủi bọt qua một đĩa được làm từ vật liệu đặc biệt (đĩa thiêu kết – sintered disk) có cấu trúc xốp và rất nhiều lỗ nhỏ. Đĩa này được ngâm trong thuốc gây mê dạng lỏng, và khi khí mới được dẫn xuyên qua nó, một số lượng lớn các bong bóng nhỏ li ti được tạo ra. Các bong bóng nhỏ này có tổng diện tích bề mặt tiếp xúc rất lớn và nhờ đó trở nên bão hòa hoàn toàn với hơi thuốc một cách hiệu quả.

Để quá trình bốc hơi xảy ra, các phân tử thuốc gây mê phải “thoát ra” khỏi trạng thái lỏng và trở thành trạng thái hơi. Quá trình này làm giảm ‘năng lượng’ còn lại trong phần chất lỏng.

Khi càng ngày càng có nhiều phân tử thoát ra, thì càng ngày càng có nhiều năng lượng bị mất đi từ chất lỏng. Nhiệt độ của một chất lỏng là thước đo lượng ‘năng lượng nhiệt’ mà chất lỏng đó có. Do đó, khi các phân tử thoát ra làm giảm năng lượng còn lại trong chất lỏng, nhiệt độ của chất lỏng sẽ giảm xuống.

Việc nhiệt độ giảm (năng lượng thấp hơn) đồng nghĩa với việc ít phân tử hơn có khả năng thoát ra. Nghĩa là, khi quá trình bốc hơi diễn ra, nhiệt độ của chất lỏng giảm xuống dẫn đến làm giảm quá trình bốc hơi.

Việc giảm bốc hơi hơn sau đó sẽ làm giảm nồng độ thuốc gây mê được cung cấp bởi bình bốc hơi. Nghĩa là, nó sẽ cung cấp một nồng độ thuốc gây mê thấp hơn mức đã đặt tại đĩa điều khiển.

Trong hầu hết các bình bốc hơi, chúng ta không thực sự chủ động cung cấp nhiệt. Nghĩa là, chúng ta không làm nóng nó bằng điện (phức tạp và cần nguồn điện) và càng không đốt lửa bên dưới nó (vô cùng nguy hiểm). Thay vào đó, chúng ta tạo điều kiện để bình bốc hơi dễ dàng sử dụng nhiệt từ không khí xung quanh.

Buồng bốc hơi thường được bao quanh bởi một khối lượng kim loại lớn.

Kim loại giúp giảm thiểu sự sụt giảm nhiệt độ theo hai cách. Thứ nhất, kim loại là một chất dẫn nhiệt rất tốt và do đó có thể dẫn nhiệt một cách hiệu quả từ không khí xung quanh vào thuốc gây mê.

Thứ hai, kim loại hoạt động như một ‘kho dự trữ nhiệt’. Nó ‘hấp thụ’ nhiệt (các mũi tên màu xanh lá) cho đến khi nhiệt độ của nó cân bằng với nhiệt độ của không khí xung quanh.

Khi thuốc gây mê bắt đầu lạnh đi do quá trình bốc hơi, kim loại lúc này sẽ ‘cung cấp’ nhiệt (các mũi tên màu vàng), giúp giảm thiểu sự sụt giảm nhiệt độ.

Tuy nhiên, vỏ kim loại không thể mãi cung cấp nhiệt và sau một thời gian, nhiệt độ của chính vỏ kim loại cũng sẽ giảm xuống.

Trong khoảng thời gian giữa các ca gây mê, khi bạn tắt bình bốc hơi và nghỉ giải lao uống cà phê trước ca tiếp theo, khối kim loại sẽ tiếp tục “hấp thụ” nhiệt từ môi trường xung quanh và nhiệt độ của vỏ kim loại sẽ tăng lên, sẵn sàng để cung cấp nhiệt khi bình bốc hơi được bật lên lại.

Tóm lại, kim loại cung cấp nhiệt để giảm thiểu sự sụt giảm nhiệt độ theo hai cách. Một cách là bằng việc ‘cung cấp’ nhiệt cho chất lỏng (các mũi tên vàng) và cách kia là bằng việc dẫn nhiệt (các mũi tên đỏ) từ không khí xung quanh.

Khi nhiệt độ của thuốc mê hô hấp dạng lỏng giảm, chúng ta đã thấy rằng nồng độ đầu ra của bình bốc hơi cũng giảm theo. Một cách để bù đắp cho vấn đề này là tăng lưu lượng khí đi qua buồng bốc hơi (thay đổi tỷ lệ chia dòng). Về lý thuyết, có thể làm điều này thủ công bằng cách đo nhiệt độ chất lỏng bằng nhiệt kế và tăng cài đặt trên đĩa điều khiển dựa theo một biểu đồ tham chiếu*. Tuy nhiên, việc này sẽ khá tẻ nhạt vì phải thực hiện liên tục.

(*Ghi chú từ dịch giả: Nghĩa là với nồng độ X% mong muốn, người gây mê có thể dùng một cái nhiệt kế gắn trên bình để biết thuốc lỏng hiện tại đang bao nhiêu độ, từ đó dựa vào một bảng tham chiếu để xác định với nhiệt độ Y°C và muốn tiếp tục duy trì nồng độ X% cần cái đặt nồng độ trên đĩa điều khiển là Z% để bù trừ cho sự mất mát do nhiệt độ giảm)

Các công đoạn nhàm chán này đã được loại bỏ với các bình bốc hơi hiện đại. Khi chất lỏng giảm nhiệt độ, lưu lượng khí đi qua buồng bốc hơi sẽ tự động được tăng lên mà không cần phải điều chỉnh đĩa điều khiển.

Điều này được thực hiện nhờ một van bù trừ nhiệt độ tự động, có tác động đến lưu lượng khí đi qua buồng bốc hơi.

Van bù trừ nhiệt độ tự động này hoạt động dựa trên tính chất vật lý: các chất (ví dụ như kim loại hoặc chất lỏng) sẽ co lại khi nhiệt độ giảm. Một thanh kim loại (màu đen trong hình minh họa dưới đây) sẽ ngắn lại khi nhiệt độ hạ xuống. Tương tự, một chất lỏng được chứa trong một bóng xếp (bellow**) (màu xanh lá trong hình minh họa dưới đây) sẽ giảm thể tích khi được làm lạnh.

Tính chất này được sử dụng trong thiết kế của các van bù trừ nhiệt tự động trong bình bốc hơi. Ở thiết kế sử dụng thanh kim loại, thanh này tạo ra một lực cản nhất định đối với dòng khí đi vào buồng bốc hơi. Khi bình bốc hơi lạnh hơn, thanh kim loại ngắn lại, khiến van dịch chuyển ra xa khỏi lỗ mở. Điều này làm giảm lực cản với lưu lượng khí mới và do đó, lượng khí đi vào buồng bốc hơi sẽ nhiều hơn.

Một số bình bốc hơi sử dụng tính chất giãn nở hoặc co lại của một loại chất lỏng đặc biệt bên trong bóng xếp (như hình màu xanh lá) để điều khiển van. Khi nhiệt độ giảm, chất lỏng trong bóng xếp co lại thành thể tích nhỏ hơn. Điều này làm bóng xếp xẹp xuống, kéo van dịch chuyển ra xa và từ đó làm tăng lưu lượng khí mới.

Một phương pháp khác sử dụng một dải “lưỡng kim” (bi-metallic strip). Các kim loại khác nhau giãn nở và co lại ở mức độ khác nhau khi tiếp xúc với sự thay đổi nhiệt độ. Trong ví dụ bên dưới, kim loại “màu xanh lá” giãn nở và co lại nhiều hơn kim loại “màu đỏ” khi có sự thay đổi nhiệt.

Với một dải lưỡng kim, hai kim loại có mức độ giãn nở rất khác nhau khi có sự thay đổi nhiệt (“hệ số giãn nở khác nhau”) được gắn cố định với nhau. Trong ví dụ bên dưới, khi nhiệt độ giảm, thanh kim loại “màu xanh lá” co lại nhiều hơn đáng kể so với thanh kim loại “màu đỏ”. Vì chúng được gắn chặt với nhau, chúng không thể co lại một cách độc lập như trong sơ đồ trên. Thay vào đó, kim loại “màu xanh lá” “cố gắng” kéo kim loại “màu đỏ” và khiến cho dải lưỡng kim bị uốn cong.

Trong bình bốc hơi, dải lưỡng kim được cố định theo cách mà nó tạo ra một lực cản đối với dòng khí đi vào buồng bốc hơi. Khi nhiệt độ của buồng bốc hơi giảm xuống, dải lưỡng kim bị uốn cong và dịch chuyển ra xa. Điều này làm giảm lực cản dòng chảy và do đó, nhiều khí hơn sẽ đi vào buồng bốc hơi.

Thông khí áp lực dương tạo ra những thay đổi áp suất theo chu kỳ. Trong thì áp lực dương, áp suất tăng lên và trong thì thở ra, áp suất giảm mạnh. Những thay đổi áp suất này có thể được truyền ngược trở lại vào bình bốc hơi và có thể ảnh hưởng đến nồng độ thuốc gây mê được cung cấp. Sự thay đổi áp suất ảnh hưởng đến đầu ra của bình bốc hơi được gọi là “hiệu ứng bơm” (pumping effect). Trong phần này, hiệu ứng này cùng với các phương pháp mà các nhà thiết kế bình bốc hơi sử dụng để ngăn chặn nó sẽ được giải thích. Hình bên dưới minh họa một bình bốc hơi cơ bản và một bóng giúp thở đại diện cho thông khí áp lực dương.

Khi bóp bóng (tương ứng với thì thông khí áp lực dương), áp suất được truyền ngược trở lại vào bình bốc hơi như hình dưới đây. “Áp suất ngược” này được truyền đến cả hai: kênh “bypass” và buồng bốc hơi. Áp suất ngược này chống lại dòng chảy của khí mới trong cả kênh bypass và buồng bốc hơi. Dòng khí mới đi vào bình bốc hơi cố gắng di chuyển về phía trước và bị nén lại trong cả kênh bypass lẫn buồng bốc hơi. Tuy nhiên, thể tích buồng bốc hơi lớn hơn nhiều so với thể tích kênh bypass, và do đó, lượng khí mới bị nén vào buồng bốc hơi nhiều hơn so với lượng bị nén vào kênh bypass.

Lượng khí mới thêm này đi vào buồng bốc hơi và thu thêm một lượng hơi thuốc gây mê.

Bây giờ hãy xem điều gì xảy ra khi áp suất dương đột ngột được giải phóng (thì thở ra). Lượng khí trước đó bị nén giờ đây đột ngột giãn nở theo mọi hướng.

Một phần khí giãn nở nhanh (có chứa hơi thuốc) đi vào cổng vào của bình bốc hơi và chảy ngang qua kênh ‘bypass’ như hình dưới đây.

Thông thường, kênh ‘bypass’ của bình bốc hơi không có hơi thuốc. Vì vậy, lượng hơi thuốc thừa này do ‘hiệu ứng bơm’ thêm vào. Khi lượng hơi thuốc trong kênh ‘bypass’ này chảy đến đầu ra của bình bốc hơi, nó gặp hơi thuốc từ buồng bốc hơi. Việc bổ sung thêm hơi thuốc từ kênh ‘bypass’ vào hơi thuốc từ buồng bốc hơi làm tăng nồng độ đầu ra của thuốc gây mê được cung cấp. Nghĩa là, ‘hiệu ứng bơm’ làm tăng nồng độ thuốc gây mê được phân phối.

Các kỹ sư thiết kế bình bốc hơi có nhiều giải pháp khác nhau để giảm ‘hiệu ứng bơm’ và một số giải pháp trong đó sẽ được thảo luận dưới đây:

Ống dẫn khí vào của bình bốc hơi có thể được thiết kế dài hơn. Khi ‘áp suất ngược’ đột ngột được giải phóng trong thì thở ra, như đã được mô tả, lượng khí dư trong buồng bốc hơi sẽ đột ngột giãn nở. Tuy nhiên, nhờ có ống dẫn khí vào dài, lượng khí dư chứa hơi thuốc sẽ giãn nở trong phạm vi đường ống dài này và không chạm tới kênh ‘bypass’.

Bình bốc hơi có thể được thiết kế để có một sức cản bên trong cao đối với lưu luông khí. Lực trở cao này “chống lại” những thay đổi về lưu lượng gây ra bởi ‘áp suất ngược’ không liên tục của thông khí áp lực dương.

Van một chiều (còn gọi là van đơn hướng) có thể được lắp đặt giữa đầu ra của bình bốc hơi và hệ thống máy thở/hô hấp. Van một chiều chỉ cho phép dòng chảy đi theo một hướng, mà không cho phép chảy theo hướng ngược lại. Trong sơ đồ dưới đây, van một chiều chỉ cho phép dòng khí đi về phía trước.

Tuy nhiên, van này ngăn chặn lưu lượng khí đi theo hướng ngược lại. Điều này làm giảm sự truyền áp suất ngược về bình bốc hơi.