Quá trình bay hơi (evaporation) trong một bình chứa kín sẽ tiếp diễn cho đến khi số phân tử quay trở lại chất lỏng cân bằng với số phân tử thoát ra (trạng thái cân bằng). Tại thời điểm này, hơi được gọi là bão hòa, và áp suất do hơi tạo ra (thường được biểu thị bằng mmHg) được gọi là áp suất hơi bão hòa.

Do các phân tử chuyển động nhanh hơn (có nhiều động năng hơn) ở nhiệt độ cao hơn, nhiều phân tử có thể thoát ra khỏi bề mặt và áp suất hơi bão hòa cũng cao tương ứng. Nghĩa là, nhiệt độ càng cao, áp suất hơi bão hòa càng cao.

Nhiệt độ mà tại đó áp suất hơi bằng với áp suất khí quyển được gọi là điểm sôi.

Desflurane có điểm sôi rất thấp (khoảng 23 độ C) và ngay cả ở nhiệt độ phòng, nó đã có áp suất hơi cao.

Ngoài ra, đối với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ, áp suất hơi của desflurane thay đổi khá mạnh mẽ. Nói cách khác, desflurane được cho là có “đường cong áp suất hơi theo nhiệt độ” rất dốc.

Những đặc tính vật lý này của Desflurane tạo ra một bài toán rất hóc búa cho các kỹ sư thiết kế bình bốc hơi.

Nhiệt độ phòng mổ không phải lúc nào cũng ổn định một cách hoàn hảo. Nó liên tục thay đổi nhỏ do nhiều yếu tố bao gồm cả số lượng sinh viên y khoa đang quan sát ca mổ. Những thay đổi về nhiệt độ phòng mổ này sẽ làm thay đổi nhiệt độ của bình bốc hơi có trong phòng. Như đã thảo luận, các bình bốc cơ bản có các cơ chế phòng ngừa sự thay đổi nhiệt độ (ví dụ: bằng cấu trúc kim loại dày). Tuy nhiên, các cơ chế này không hoàn hảo và trên thực tế, những thay đổi nhỏ về nhiệt độ của bình bốc hơi vẫn xảy ra. Việc thay đổi nhiệt độ này không phải vấn đề lớn với các thuốc mê như Isoflurane hay Sevoflurane, vốn có “đường cong áp suất hơi theo nhiệt độ” tương đối ít dốc hơn. Ở các thuốc này, thay đổi nhiệt độ nhỏ chỉ dẫn đến thay đổi nhỏ về áp suất hơi, và điều này có thể được bù trừ bởi các cơ chế như dải lưỡng kim (bimetallic strip). Tuy nhiên với “đường cong áp suất hơi theo nhiệt độ” rất dốc của Desflurane, ngay cả những thay đổi nhiệt độ nhỏ này cũng có thể gây ra những thay đổi LỚN về áp suất hơi, mà các thiết bị đơn giản dải lưỡng kim không thể bù trừ nổi. Vì vậy, một thiết kế bình bốc hơi hoàn toàn mới đã phải được chế tạo.

Giải pháp được lựa chọn cho vấn đề này là thiết kế một bình bốc hơi có chức năng làm nóng Desflurane đến một nhiệt độ được kiểm soát cực kỳ chính xác, không bị ảnh hưởng bởi sự dao động nhiệt độ phòng. Hơi thuốc sau khi được làm nóng sẽ được “bơm” vào dòng khí tươi.

Để so sánh, chúng ta cần nhớ lại cách thức hoạt động của các bình bốc hơi cơ bản: dòng khí mới được chia thành hai dòng khí. Một dòng khí đi qua buồng bốc hơi và mang theo thuốc gây mê, trong khi dòng khí đi qua đường bypass và không đi qua buồng bốc hơi. Hai dòng khí này sau đó trộn lẫn với nhau ở đầu ra của bình để tạo ra nồng độ thuốc gây mê cuối cùng.

Bình bốc hơi Desflurane hoạt động theo cách khác. Khí mê được “bơm” trực tiếp vào dòng khí mới. Trong phương pháp này, dòng khí mới từ các đồng hồ đo lưu lượng không bị tách thành hai luồng. Chỉ có một dòng khí mới duy nhất, và khí mê được bơm trực tiếp vào dòng khí mới này.

Tuy nhiên, thiết kế thực tế phức tạp hơn nhiều so với nguyên lý bơm tiêm đơn giản được minh họa ở trên. Hệ thống này có cấu trúc phức tạp hơn, nhưng bạn đừng lo, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu từng phần một cách cụ thể.

Bên trong bình bốc hơi có một bình chứa (sump) Desflurane, được làm nóng bằng điện đến một nhiệt độ hằng số được kiểm soát chặt chẽ (vào khoảng 40°C). Nhờ nhiệt lượng cung cấp, Desflurane dạng lỏng chuyển thành dạng hơi với áp suất khoảng hai atmosphere (xấp xỉ 1500 mmHg hoặc 200 kPa). Lượng khí mê Desflurane sẽ được bơm vào dòng khí mới.

Nồng độ khí mê Desflurane được đưa vào dòng khí mới sẽ được kiểm soát thông qua đĩa điều khiển. Đĩa điều khiển được kết nối với 1 van, van này làm thay đổi lực cản với dòng chảy của Desflurane từ bình chứa đến dòng khí mới.

Ngược lại, nếu muốn giảm nồng độ khí mê Desflurane, van kết nối với đĩa điều khiển sẽ làm tăng lực cản đối với dòng desflurane, khiến cho lượng thuốc được bơm vào dòng khí mới ít hơn. Đồng thời, tốc độ bơm hơi desflurane cũng phải được điều chỉnh để tương thích với lưu lượng khí mới đi qua bình bốc hơi.

Nếu tăng lưu lượng khí mới nhưng không tăng tốc độ bơm thuốc, hỗn hợp thuốc tạo ra sẽ không còn chính xác, và nồng độ lúc này sẽ thấp hơn so với mức được cài đặt.

Tương tự, khi giảm lưu lượng khí mới nhưng không giảm tốc độ bơm thuốc, hỗn hợp thuốc tạo ra một lần nữa sẽ không chính xác. Lần này, lượng thuốc gây mê sẽ tương đối nhiều hơn, khiến nồng độ hỗn hợp cao hơn so với mức được cài đặt.

Về lý thuyết, giải pháp là phải tự điều chỉnh núm vặn cho phù hợp với lưu lượng khí mới. Cụ thể, với lưu lượng khí thấp, phải giảm mức núm vặn để giảm tốc độ bơm Desflurane; và với lưu lượng khí cao, cần làm ngược lại. Tuy nhiên, việc này sẽ rất phiền phức và dễ sai sót. May mắn thay, bình bốc hơi Desflurane được tích hợp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ bơm để phù hợp với lưu lượng khí mới, nhờ đó luôn duy trì nồng độ thuốc được cung cấp ở mức ổn định và chính xác.

Chúng ta đã sẵn sàng để tìm hiểu nguyên lý hoạt động của bình bốc hơi Desflurane. Bạn cần phải chú ý theo dõi các số thứ tự được đánh dấu trên sơ đồ kèm theo trong phần mô tả phía dưới.

Dòng khí mới (1) từ lưu lượng kế được dẫn vào hệ thống đường vòng. Dòng khí này đi qua đường ống dẫn khí (2). Cần lưu ý rằng, không giống như các bình bốc hơi khác, toàn bộ dòng khí mới này sẽ đi thẳng trong đường ống dẫn mà không có dòng khí nào đi vào buồng bốc hơi (4).

Buồng bốc hơi (4) được làm nóng bằng điện (3). Nhờ sử dụng cảm biến để theo dõi, nhiệt độ của buồng bốc hơi được duy trì ở mức rất ổn định. Quá trình gia nhiệt này khiến Desflurane chuyển thành dạng hơi dưới một áp suất nhất định (4), và lượng hơi này sẽ di chuyển theo đường ống dẫn (5).

Dòng Desflurane được điều khiển bởi hai van (6, 13). Van (6) là van được điều khiển khi vặn đĩa điều khiển để chọn một nồng độ cụ thể. Khi bạn tăng mức nồng độ, van (6) sẽ mở ra một chút, làm giảm lực cản và cho phép lượng khí mê Desflurane được chảy qua nhiều hơn. Van (13) là van được điều khiển bằng điện tử. Máy tính (12) – “bộ não” của bình bốc hơi – cũng có khả năng thay đổi lưu lượng Desflurane bằng cách điều khiển van (13). Nói cách khác, cả bạn và máy tính đều có thể điều chỉnh tốc độ bơm Desflurane. Desflurane sau đó đi qua đường dây dẫn (7) và hòa trộn với dòng khí mới tại điểm (8). Hỗn hợp cuối cùng với nồng độ ổn định sẽ đi vào hệ thống đường vòng và đến người bệnh (9).

Bây giờ, chúng ta sẽ tìm hiểu cách bình bốc hơi điều chỉnh lưu lượng Desflurane để duy trì nồng độ đầu ra chính xác khi lưu lượng khí tươi thay đổi. Như đã giải thích trước đó, dòng khí mới đi qua đường ống dẫn (2). Đường ống dẫn này sẽ có một trở lực nhất định (10). Để dòng khí mới vượt qua được lực cản này (10), áp suất trong đường ống (2) phải tăng lên. Lưu lượng khí tươi trong ống (2) càng cao, thì áp suất trong ống (2) càng tăng mạnh, vì một lưu lượng lớn hơn phải đi qua cùng một lực cản cố định (10).

Tương tự, khi lưu lượng khí mới giảm, lưu lượng thấp hơn sẽ di chuyển dễ dàng hơn qua trở lực và áp suất trong đường ống dẫn (2) giảm xuống. Điều quan trọng cần ghi nhớ là áp suất trong đường ống dẫn (2) tỷ lệ thuận với lưu lượng khí mới đi qua nó. Lưu lượng càng cao, áp suất trong đường ống dẫn (2) càng lớn. Lưu lượng càng thấp, áp suất càng giảm.

Thiết bị (11) được gọi là “cảm biến chênh áp”. Nó có một màng ngăn mà một bên tiếp xúc với áp suất trong đường ống dẫn (2) mang khí mới, và bên kia tiếp xúc với áp suất trong đường ống dẫn (5) mang Desflurane. Khi áp suất ở hai bên màng ngăn cân bằng, nó nằm ở vị trí trung tính, tức là áp suất P1 bằng áp suất P2.

Nếu một bên của màng ngăn có áp suất cao hơn bên kia, sự chênh lệch áp suất này sẽ làm màng ngăn di chuyển. Bằng cách này, cảm biến chênh áp (11) có thể đo lường sự chênh lệch áp suất giữa đường ống dẫn khí mới (2) và đường ống dẫn Desflurane (5). Nó liên tục cập nhật thông tin về độ chênh lệch áp suất cho máy tính (12).

Bây giờ, hãy xem bình bốc hơi xử lý thế nào khi lưu lượng khí mới được tăng lên. Lưu lượng khí mới đã được tăng lên bởi người điều khiển (1). Dòng khí mới được tăng cường chảy qua ống (2) và gặp trở lực cố định (10). Lưu lượng khí mới tăng lên đi qua trở lực cố định (10) làm cho áp suất trong ống (2) tăng lên, và cảm biến chênh áp (11) ghi nhận áp suất này. Vì áp suất Desflurane trong ống (5) lúc này thấp hơn áp suất khí mới trong ống (2), màng ngăn trong cảm biến chênh áp (11) di chuyển và một tín hiệu về sự chênh lệch áp suất được gửi đến máy tính (12).

Máy tính (12) xử lý thông tin được cung cấp bởi cảm biến chênh áp. Và tiến hành tăng lưu lượng Desflurane để bơm vào dòng khí mới đã tăng. Máy tính ra lệnh cho van điều khiển điện tử (13) giảm lực cản dòng chảy khí mê. Khi van (13) mở ra và giảm lực cản, lưu lượng Desflurane sẽ tăng lên.

Lưu lượng Desflurane tăng lên làm cho áp suất trong đường ống (5) tăng theo. Áp suất tăng này đẩy màng ngăn của cảm biến chênh áp (11) trở về vị trí trung hòa. Cảm biến chênh áp (11) thông báo cho máy tính (12) rằng màng ngăn đã trở về vị trí trung hòa. Lúc này, máy tính (12) nhận thấy lưu lượng Desflurane đã được tăng đến mức phù hợp với lưu lượng khí mới tăng lên và ngừng việc mở van (13) thêm nữa. Vì hai lưu lượng đã được cân bằng, nồng độ đầu ra (9) không thay đổi bất chấp lưu lượng khí mới đã tăng. Nếu bạn lại thay đổi lưu lượng khí mới, hệ thống sẽ một lần nữa tự động điều chỉnh tốc độ bơm Desflurane.

Hầu hết các máy gây mê đều được lắp đặt nhiều hơn một bình bốc hơi, nhờ đó bác sĩ có thể lựa chọn thuốc mê hô hấp sẽ sử dụng cho người bệnh. Tuy nhiên, một nguyên tắc quan trọng là chỉ được phép sử dụng một bình bốc hơi tại một thời điểm để tránh tình trạng quá liều do nhiều loại hơi thuốc cùng đi vào bệnh nhân một lúc. Để đảm bảo an toàn, có nhiều cơ chế khác nhau được thiết kế để ngăn chặn việc nhiều bình bốc hơi cùng được kích hoạt đồng thời. Dưới đây sẽ mô tả một trong những hệ thống đó. Lưu ý rằng máy gây mê bạn sử dụng có thể áp dụng cơ chế khác.

Trong hệ thống này, mỗi bình bốc hơi có hai chốt nhô ra bên ngoài. Khi bình bốc hơi đang được sử dụng, các chốt này sẽ nhô ra. Khi bình bốc hơi được tắt đi, các chốt sẽ tự động rút trở lại vị trí ban đầu.

Ngược lại, nếu chốt của bình bốc hơi bị đẩy vào (thường do chốt của một bình bốc hơi còn lại đang ở trạng thái hoạt động), cơ chế khóa này sẽ ngay lập tức khóa núm vặn của bình đó ở vị trí TẮT. Khi chốt không còn bị đẩy vào nữa (tức là bình kia đã được tắt), núm vặn sẽ được mở khóa và có thể xoay để bật bình lên.

Khi lắp hai bình bốc hơi cạnh nhau, các chốt của chúng sẽ tiếp xúc với nhau.
Khi một bình bốc hơi được bật lên, chốt của nó sẽ nhô ra và đẩy chốt của các bình bốc hơi liền kề vào trong và khóa chúng lại. Khi bình bốc hơi này được tắt đi, chốt của nó rút vào và giải phóng chốt trên bình liền kề, từ đó mở khóa cho bình đó. Bằng cách này, chỉ có một núm vặn có thể được bật lên tại một thời điểm.

Dưới đây là hình ảnh thực tế của cơ chế khóa liên động.

Việc đổ đúng loại thuốc vào đúng bình bốc hơi là vô cùng quan trọng. Nếu đổ nhầm thuốc vào bình, bình sẽ bốc hơi nhầm loại thuốc, và tệ hơn nữa, do thiết kế bình bốc hơi khác nhau tùy theo từng loại thuốc, có thể dẫn đến quá liều nghiêm trọng cho bệnh nhân.

Các bình bốc hơi đời đầu chỉ đơn giản có một cái phễu (a funnel) , qua đó người dùng có thể vô tình đổ hầu như bất cứ thứ gì vào (kể cả cà phê).

Các bình bốc hơi hiện đại được trang bị hệ thống đổ thuốc chuyên biệt cho từng loại thuốc mê hô hấp để ngăn ngừa việc đổ nhầm thuốc. Bạn có thể hình dung cơ chế này giống như cơ chế “ổ khóa và chìa khóa”, nghĩa là một chìa khóa cụ thể chỉ có thể mở được một ổ khóa tương ứng.

Hiện có nhiều hệ thống khác nhau đang được sử dụng. Trong hệ thống dưới đây, đầu đổ thuốc Isoflurane (chìa khóa) có một rãnh khía ở một góc. Rãnh này khớp hoàn hảo với lỗ đổ thuốc trên bình bốc hơi Isoflurane. Lỗ đổ thuốc có một chốt ở góc, cho phép rãnh khía của đổ thuốc Isoflurane khớp vào.

Một loại thuốc mê khác ví dụ như Halothane (hiện ít được sử dụng), có một đầu đổ thuốc khác biệt. trong trường hợp này, đầu đổ có một rãnh khía ở bên cạnh thay vì ở góc. Do đó, đầu đổ Halothane sẽ không thể lắp vừa vào đầu đổ thuốc của bình bốc hơi Isoflurane.

Hệ thống được mô tả ở trên chỉ là một loại hệ thống đổ thuốc chuyên biệt. Còn nhiều hệ thống khác tùy thuộc vào nhà sản xuất và quốc gia khác nhau.

Ngoài sự khác biệt về hình dạng vật lý, các chìa đổ thuốc còn được mã hóa bằng màu sắc (màu tím cho Isoflurane, màu vàng cho Sevoflurane, màu xanh dương cho Desflurane).

Dưới đây là một số hình ảnh thực tế về quá trình sử dụng các đầu đổ thuốc. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hệ thống được sử dụng tại quốc gia/bệnh viện khác nhau có thể khác với những gì được minh họa.

Chai thuốc Isoflurane có các rãnh khía được sắp xếp theo cách đặc trưng riêng cho loại thuốc này. Đầu đổ thuốc Isoflurane có các khe cắt tương ứng cụ thể để các rãnh khía của chai thuốc có thể khớp vào. Điều này đảm bảo rằng nhân viên y tế không thể lắp nhầm đầu đổ thuốc vào chai thuốc không đúng.

Các rãnh khía trên chai thuốc khớp một cách hoàn hảo vào đầu đổ thuốc.

Đầu đổ thuốc tương ứng đã được lắp vào chai thuốc đúng và sẵn sàng để sử dụng.

Hãy chú ý đến rãnh khía ở góc trên đầu tiếp xúc với bình bốc hơi của đầu đổ thuốc Isoflurane.

Rãnh khía ở góc của chìa đổ thuốc Isoflurane sẽ khớp với rãnh khía ở góc trên bình bốc hơi Isoflurane.

Bình bốc hơi được làm đầy với đúng loại thuốc mê.