устройство для дыхания

Формула изобретения

1. Устройство для дыхания, содержащее маску с клапаном выдоха и компенсирующие средства, штуцеры для присоединения к источнику кислородосодержащего газа, селектор выбора источника кислородосодержащего газа, блок управления, отличающееся тем, что дополнительно содержит штуцеры для подсоединения источников компонентов дыхательной смеси, смеситель, формирующий дыхательную смесь с заданным парциальным составом, селекторы выбора компонентов дыхательной смеси, селектор выбора типа компенсирующих средств, дифференциальный датчик давления, регулятор давления для компенсирующих средств, регуляторы скорости подачи компонентов дыхательной смеси и кислородосодержащего газа и регулятор величины избыточного давления в клапане выдоха маски, кнопку аварийной подачи кислородосодержащего газа и обратный клапан дополнительного вдоха, при этом штуцеры источников компонентов дыхательной смеси через редукторы соединены с входами селектора выбора компонентов дыхательной смеси, выход которого соединен с входами регулятора давления для компенсирующих средств и регулятора величины избыточного давления в клапане выдоха маски, а через регулятор скорости подачи компонентов дыхательной смеси - с входами смесителя, выход селектора выбора источника кислородосодержащего газа подключен через кнопку аварийной подачи кислородосодержащего газа к маске, и через регулятор скорости подачи кислородосодержащего газа - к первому входу смесителя, при этом выход смесителя соединен с маской, с выходом обратного клапана дополнительного вдоха и отрицательным штуцером дифференциального датчика давления, положительный штуцер которого подключен к выходу регулятора величины избыточного давления в клапане выдоха маски и к входу клапана выдоха маски, а выход регулятора давления для компенсирующих средств соединен с селектором выбора типа компенсирующих средств, при этом блок управления выполнен с возможностью автоматического выбора компонентов дыхательной смеси и типа компенсирующих средств, независимого регулирования скорости подачи компонентов дыхательной смеси и кислородосодержащего газа, соотношения величин избыточного давления в клапане выдоха маски и в компенсирующих средствах, а также аварийного сброса давления в последних.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор величины избыточного давления в клапане выдоха маски содержит нормально закрытый клапан наполнения, выход которого соединен с нормально открытым клапаном сброса давления, с датчиком давления, подключенным по цепи отрицательной обратной связи к блоку управления, и ресивером, при этом вход нормально закрытого клапана наполнения соединен с выходом одного из селекторов выбора компонентов дыхательной смеси, выход нормально открытого клапана сброса давления соединен с атмосферой, а выход ресивера соединен с входом клапана выдоха маски.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор величины в компенсирующих средствах содержит нормально закрытый клапан наполнения, выход которого соединен с нормально открытым клапаном сброса давления, селектором компенсирующей одежды и с датчиком давления, подключенным по цепи отрицательной обратной связи к блоку управления, при этом вход нормально закрытого клапана наполнения соединен с выходом одного из селекторов выбора газа дыхательной смеси, а выход нормально открытого клапана сброса давления соединен с атмосферой.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компенсирующие средства представляют костюм или окклюзионные манжеты.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью регулирования задержки между фазами повышения давления в компенсирующих средствах и повышения избыточного давления в клапане выдоха маски при сохранении заданного соотношения давлений.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью регулирования задержки между фазами снижения давления в компенсирующих средствах и снижения избыточного давления в клапане выдоха маски при сохранении заданного соотношения давлений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для тестирования и тренировки психофизиологических возможностей при дыхании гипоксическими смесями под избыточным давлением, а также для респираторной поддержки при острой дыхательной недостаточности.

Известны устройства для респираторной поддержки, например аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ), содержащие один или более источников газа, пригодных для дыхания. Они снабжены набором исполнительных механизмов, обеспечивающих реализацию медицинских методик респираторной поддержки (В.Л.Кассиль, Г.С.Лескин, М.А.Выжигина. Респираторная поддержка, Москва, Медицина, 1997). Указанные устройства позволяют осуществлять дыхание кислородом или смесью «кислород - воздух» под избыточным давлением с непрерывной подачей или синхронно с фазами дыхания. В то же время указанные технические средства не могут быть использованы для задания дозированных нагрузок на организм человека при проведении функциональных нагрузочных проб при дыхании гипоксическими смесями с избыточным давлением. Дозированные нагрузки дают возможность прогнозировать состояния перенапряжения и истощения регуляторных механизмов при снижении толерантности к конкретным видам нагрузки (Дворников М.В. и др. Выбор и подготовка защитного снаряжения. Обучение дыханию под избыточным давлением. М.: Полет, 2001 г.).

Известен дыхательный аппарат, содержащий источник пригодного для дыхания газа, который находится под первым избыточным давлением, лицевую маску, соединенную с источником газа, имеющую клапан выдоха и регулятор, предназначенный для поддержания необходимого избыточного давления в надетой маске (RU 2003115428А, Фосс, 20.10.2004). Известны также устройства для дыхания под воздействием физических нагрузок. Так, известна система кислородного питания члена экипажа высокоманевренного самолета с подачей кислорода синхронно фазам дыхания летчика. Указанное устройство содержит кислородную емкость, через воздушную магистраль и кислородный редуктор связанную с регулятором непрерывной подачи, соединенным воздушными магистралями через электропневмоклапан и клапан вдоха/выдоха с кислородной маской, компенсирующей одеждой и регулятором прерывной подачи, соединенным воздушными магистралями с автоматом подсоса воздуха (RU 94022325 А1, Гузий и др. 27.06.1996; RU 98116887 А, Онуфриенко и др., 20.06.2000). Недостатками вышеупомянутых устройств являются невозможность обеспечения дыхания под избыточным давлением гипоксическими смесями, а также реализация медицинских методик респираторной поддержки.

Известно устройство для дыхания пилота высотного самолета (US 4651728, Gupta et al., 24.03.1987 г. - прототип). Устройство содержит селектор для выбора одного из трех источников сжатого кислорода, регулятор скорости подачи газа, дыхательную маску и устройство для создания давления в компенсирующей одежде.

Однако использование дыхательной смеси газов для создания давления в компенсирующей одежде не позволяет обеспечить необходимую компенсацию высоты полета, а при увеличении давления смеси возникает опасность баротравмы легких пилота. Кроме того, в прототипе не предусмотрена возможность задания дозированных нагрузок на организм человека при проведении функциональных нагрузочных проб с дыханием гипоксическими смесями под избыточным давлением, а программа работы блока управления не дает возможности использовать устройство для респираторной поддержки.

Настоящее изобретение направлено на расширение функциональных возможностей, то есть реализацию одним устройством двух функций: а) задание дозированных нагрузок на организм человека при проведении функциональных нагрузочных проб с дыханием гипоксическими смесями под избыточным давлением, б) обеспечение респираторной поддержки при острой дыхательной недостаточности, что и является техническим результатом изобретения.

Технический результат изобретения достигается тем, что устройство для дыхания содержит маску с клапаном выдоха и компенсирующие средства, штуцеры для присоединения к источнику кислородосодержащего газа, селектор выбора источника кислородосодержащего газа, блок управления.

Устройство дополнительно содержит штуцеры для подсоединения источников компонентов дыхательной смеси, смеситель, формирующий дыхательную смесь с заданным парциальным составом, селекторы выбора компонентов дыхательной смеси, селектор выбора типа компенсирующих средств, дифференциальный датчик давления, регулятор давления для компенсирующих средств, регуляторы скорости подачи компонентов дыхательной смеси и кислородосодержащего газа и регулятор величины избыточного давления в клапане выдоха маски, кнопку аварийной подачи кислородосодержащего газа и обратный клапан дополнительного вдоха. При этом штуцеры источников компонентов дыхательной смеси через редукторы соединены с входами селектора выбора компонентов дыхательной смеси, выход которого соединен с входами регулятора давления для компенсирующих средств и регулятора величины избыточного давления в клапане выдоха маски, а через регулятор скорости подачи компонентов дыхательной смеси - со входами смесителя.

Выход селектора выбора источника кислородосодержащего газа подключен через кнопку аварийной подачи кислородосодержащего газа к маске и через регулятор скорости подачи кислородосодержащего газа - к первому входу смесителя, при этом выход смесителя соединен с маской, с выходом обратного клапана дополнительного вдоха и отрицательным штуцером дифференциального датчика давления, положительный штуцер которого подключен к выходу регулятора величины избыточного давления в клапане выдоха маски и к входу клапана выдоха маски, а выход регулятора давления для компенсирующих средств соединен с селектором выбора типа компенсирующих средств. При этом блок управления выполнен с возможностью автоматического выбора компонентов дыхательной смеси и типа компенсирующих средств, независимого регулирования скорости подачи компонентов дыхательной смеси и кислородосодержащего газа, соотношения величин избыточного давления в клапане выдоха маски и в компенсирующих средствах, а также аварийного сброса давления в последних.

Устройство может характеризоваться тем, что регулятор величины избыточного давления в клапане выдоха маски содержит нормально закрытый клапан наполнения, выход которого соединен с нормально открытым клапаном сброса давления, с датчиком давления, подключенным по цепи отрицательной обратной связи к блоку управления, и ресивером, при этом вход нормально закрытого клапана наполнения соединен с выходом одного из селекторов выбора компонентов дыхательной смеси, выход нормально открытого клапана сброса давления соединен с атмосферой, а выход ресивера соединен с входом клапана выдоха маски.

Устройство может характеризоваться и тем, что регулятор величины давления в компенсирующих средствах содержит нормально закрытый клапан наполнения, выход которого соединен с нормально открытым клапаном сброса давления, селектором компенсирующей одежды и с датчиком давления, подключенным по цепи отрицательной обратной связи к блоку управления, при этом вход нормально закрытого клапана наполнения соединен с выходом одного из селекторов выбора газа дыхательной смеси, а выход нормально открытого клапана сброса давления соединен с атмосферой.

Устройство может характеризоваться также тем, что компенсирующие средства представляют костюм или окклюзионные манжеты.

Устройство может характеризоваться, кроме того, и тем, что блок управления выполнен с возможностью регулирования задержки между фазами повышения давления в компенсирующих средствах и повышения избыточного давления в клапане выдоха маски при сохранении заданного соотношения давлений.

Устройство может характеризоваться и тем, что блок управления выполнен с возможностью регулирования задержки между фазами снижения давления в компенсирующих средствах и снижения избыточного давления в клапане выдоха маски при сохранении заданного соотношения давлений.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 показана блок-схема устройства;

на фиг.2 - блок-схема алгоритма блока управления.

Устройство для дыхания (фиг.1) содержит: входы 10 для подключения источников компонентов дыхательной смеси - пригодных для дыхания сжатых газов, редукторы 12, селектор 14 выбора источника кислородосодержащего газа, селектор 16 выбора источника компонентов дыхательной смеси, регуляторы 18 скорости подачи компонентов дыхательной смеси, выполненные, например, в виде пропорционального электропневматического регулятора (ПЭПР). Устройство включает регулятор величины избыточного давления в клапане выдоха маски, содержащий нормально закрытый клапан 20 подачи избыточного давления, нормально открытый клапан 22 сброса избыточного давления, ресивер 24 и датчик 26 избыточного давления. Устройство также включает регулятор величины давления в компенсирующих средствах, содержащий нормально закрытый клапан 28 подачи компенсирующего давления, нормально открытый клапан 30 сброса компенсирующего давления, датчик 32 компенсирующего давления, селектор 34 выбора типа компенсирующих средств (одежды - костюм или окклюзионные манжеты). Кроме того, устройство содержит смеситель 36, дифференциальный датчик 38, лицевую маску 40, клапан 42 выдоха маски, кнопку 44 аварийной подачи кислорода, обратный клапан 46 дополнительного вдоха и блок 48 управления.

Пневматические магистрали показаны сплошными линиями, электрические связи - пунктирными линиями.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от выбранной методики (тестирование или респираторная поддержка) выбирают два газа. В соответствии с выбором селекторы 14 и 16 подключают входы 10 источников компонентов дыхательной смеси - выбранных для дыхания газов (К1 и К2) к регуляторам 18. Программное обеспечение блока 48 управления (фиг.2) позволяет реализовать следующие методики:

- непрерывную подачу дыхательной смеси (Q) в лицевую маску;

- подачу дыхательной смеси в лицевую маску синхронно с фазами дыхания (режим «легочный автомат»);

- автоматическую принудительную подачу дыхательной смеси в лицевую маску с заданной минутной вентиляцией и частотой вентиляции (искусственная вентиляция легких, далее ИВЛ);

- автоматическую принудительную подачу дыхательной смеси в лицевую маску синхронно с попыткой вдоха (вспомогательная вентиляция легких, далее ВВЛ);

- перемежающуюся принудительную подачу дыхательной смеси в лицевую маску синхронно с попыткой вдоха (перемежающаяся принудительная вентиляция легких, далее ППВ);

- респираторную поддержку с применением компенсирующей одежды и/или окклюзионных манжет.

Указанные методики при необходимости могут осуществляться под избыточным давлением (Р1) в маске 40.

Избыточное давление создается регулятором избыточного давления. Сигнал подачи избыточного давления с блока 48 управления поступает на вход клапана 20, который обеспечивает поступление потока газа через ресивер 24 в клапан 42 выдоха маски. При достижении заданного значения избыточного давления сигнал с датчика 26 через блок 48 управления закрывает клапан 20. Избыточное давление в клапане 42 поддерживается до тех пор, пока сигнал от блока 48 управления не откроет клапан 22 сброса избыточного давления в атмосферу. При сигнале с датчика 26 о наличии атмосферного давления блок 48 управления закрывает клапан 22 сброса.

В режиме непрерывной подачи дыхательной смеси в лицевую маску по сигналам блока 48 управления регуляторы 18 обеспечивают необходимые величины скорости потока дыхательной смеси и кислородосодержащего газа, а также парциального давления компонентов - газов, формирующих дыхательную смесь.

В режиме «легочный автомат» появление сигнала от датчика 38, соответствующего попытке вдоха, инициирует сигналы с блока 48 управления, в соответствии с которыми регуляторы 18 начинают подачу дыхательной смеси и кислородосодержащего газа с необходимой скоростью потока и парциальным давлением компонентов, формирующих дыхательную смесь.

В режиме ИВЛ по сигналам, формируемым блоком 48 управления, каждый из регуляторов 18 обеспечивает подачу дыхательной смеси и кислородосодержащего газа с заданной частотой и отношением длительностей вдоха и выдоха, необходимой скоростью потока и парциальным давлением газов, формирующих дыхательную смесь.

В режиме ВВЛ по сигналам, формируемым блоком 48 управления, каждый из регуляторов 18 осуществляет однократную подачу дыхательной смеси с необходимой скоростью потока и парциальным давлением газов, после которой наступает период ожидания попытки вдоха длительностью 10 с. Если в течение этого периода датчиком 38 формируется сигнал попытки, блок 48 управления выдает сигнал управления на подачу дыхательной смеси. При отсутствии в течение 10 с попытки вдоха блок 48 управления формирует сигнал управления подачи дыхательной смеси аналогично режиму ИВЛ.

В режиме ППВ блоком 48 управления задается период самостоятельного дыхания через обратный клапан 46 длительностью от 1 до 120 с. По истечении заданного периода самостоятельного дыхания по сигналам, формируемым блоком 48 управления, каждый из регуляторов 18 осуществляет однократную подачу дыхательной смеси с необходимой скоростью потока и парциальным давлением газов, по окончании которой вновь наступает период самостоятельного дыхания.

Режимы тестирования и тренировки психофизиологических возможностей у лиц опасных профессий проводят либо смесью «кислород - воздух», либо смесью «воздух - азот». Устройство осуществляет выбор газов, проводит подачу в маску 40 гипероксической, нормооксической или гипоксической дыхательной смеси в зависимости от выбранной медицинской методики тестирования и тренировки. В качестве других компонентов смеси могут быть также использованы газы: закись азота, ксенон, гелий, углекислый газ и др.

Одновременно с подачей в маску 40 дыхательной смеси, устройство обеспечивает подачу газа в компенсирующие средства. По сигналам блока 48 управления клапан 28 соединяет источник газа высокого давления с выбранным посредством селектора 34 типом компенсирующего средства, при этом с задержкой не более 3 с блок 48 управления управляет клапаном 20, создавая избыточное давление на входе клапана 42 выдоха. Одновременно блок 48 управления с помощью датчиков 26 и 32 контролирует и поддерживает постоянным заданное типом компенсирующих средств отношение величин компенсирующего и избыточного давлений. По завершении цикла тестирования и/или тренировки блок 48 управления клапаном 22 начинает сброс избыточного давления и с задержкой не более 3с клапаном 30 начинается сброс компенсирующего давления. Введение регулируемой задержки (0,5-3 сек) препятствует возникновению баротравмы легких при имитации подъема/спуска с высот свыше 4 тыс. метров. При этом как при наполнении, так и сбросе давления, блок 48 управления, с помощью датчиков 26 и 32 контролирует и поддерживает постоянным отношение величин компенсирующего и избыточного давлений, определяемое типом компенсирующих средств.

В аварийных ситуациях - сбой программного обеспечения и/или сбой в работе регуляторов и клапанов пороговое устройство, установленное в блоке 48 управления, отключает цепь электропитания, устраняет возможность получения баротравмы.

Клапан 46 дополнительного вдоха, выполняемый с площадью проходного сечения не менее 176,6 мм², позволяет осуществлять самостоятельное дыхание в аварийных ситуациях:

- отказов блока 48 управления и регуляторов 18;

- непреднамеренного отключения электропитания устройства.

Для этих же целей служит кнопка 44 аварийной подачи кислорода: при потере сознания тестируемым оператор может обеспечить кратковременное дыхание кислородосодержащим газом.

Испытания устройства показали, что оно применимо для респираторной поддержки при острой дыхательной недостаточности в указанных режимах и обеспечивает тестирование и тренировку при проведении функциональных нагрузочных проб. Устройство позволяет оценить функциональные резервы организма человека, работающего в экстремальных условиях, и прогнозировать состояния перенапряжения и истощения регуляторных механизмов при снижении толерантности к конкретным видам нагрузки.