гипоксикатор и способ дыхания с его применением

Формула изобретения

1. Гипоксикатор, включающий в себя корпус и дыхательную емкость, снабженную продувочным клапаном и подвижной стенкой, выполненной с возможностью цикличного изменения внутреннего объема дыхательной емкости, причем внутренняя полость дыхательной емкости связана с загубником, выполненным с дыхательной трубкой с поплавковым устройством или без нее, отличающийся тем, что подвижная стенка дыхательной емкости выполнена подпружиненной с возможностью регулирования, а корпус дыхательной емкости снабжен звуковыми датчиками определения процентного содержания кислорода и углекислого газа во вдыхаемой смеси.

2. Гипоксикатор по п.1, отличающийся тем, что дыхательная емкость выполнена в виде цилиндрической стенки, гофрированной по спирали, в винтовой канавке которой установлена сменная пружина сжатия.

3. Гипоксикатор, включающий в себя корпус и дыхательную емкость, снабженную продувочным клапаном и подвижной стенкой, выполненной с возможностью цикличного изменения объема дыхательной емкости, внутренняя полость которой связана с загубником, выполненным с дыхательной трубкой с поплавковым устройством или без нее, отличающийся тем, что подвижная стенка дыхательной емкости выполнена в виде эластичной упругой мембраны, а корпус дыхательной емкости снабжен звуковыми датчиками определения процентного содержания кислорода и углекислого газа во вдыхаемой смеси.

4. Способ дыхания с использованием гипоксикатора, при котором дыхание осуществляется гипоксически-гиперкапнической смесью воздуха методом «вдох с сопротивлением, выдох с отрицательным сопротивлением» с применением дыхательной емкости гипоксикатора, при этом сопротивление при вдохе обеспечивается за счет вдоха из зоны с пониженным относительно заборного давления, создаваемого в дыхательной емкости при вдохе напряжением дыхательных мышц, для преодоления усилия, по перемещению подпружиненной подвижной стенки, или прогиба эластичной упругой мембраны, расположенных в полости гипоксикатора, а отрицательное сопротивление при выдохе обеспечивается за счет выдоха в зону с пониженным относительного заборного давлением, созданным в дыхательной емкости при погружении или вдохе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подводному спорту и может быть использовано в изолирующих противогазах различного назначения, а так же в спортивной и респираторной медицине.

Известен гипоксикатор «ингалятор Фролова» [4, 5], содержащий дыхательную емкость, снабженную гидрозатвором, связанную гибким патрубком с загубником.

Известен оздоровительный способ дыхания гипоксически-гиперкапнической смесью «вдох с сопротивлением - выдох с сопротивлением» с использованием «ингалятора Фролова» [4, 5], выполняемый при атмосферном давлении, при этом сопротивление на вдохе и выдохе создается за счет сопротивления, создаваемого при проходе воздуха через столб жидкости гидрозатвора.

Известен комплект для подводного плавания, содержащий дыхательную трубку, снабженную поплавковым устройством, предотвращающим попадание заборной воды во внутреннюю полость ствола трубки во время погружения [1, 6], при этом при погружении происходит задержка дыхания. При погружении с задержкой дыхания при вдохе грудные мышцы напрягаются, что препятствует сжатию объема грудной клетки, в связи с чем выравнивание давления в альвеолах легких до заборного обеспечивается за счет прилива в кровеносные сосуды альвеол легких крови, что является одной из основных причин потери сознания пловцов у поверхности воды при всплытии за счет гипоксии головного мозга [1]. Кроме того, при задержке дыхания прекращается легочная вентиляции, что приводит к снижению диффузионной способности легких и при длительности экспозиции к развитию артериально-альвеолярного градиента СО₂ [1, 2, 3].

Известно устройство для подводного плавания - акваланг, содержащий баллон со сжатым воздухом, редуктор давления, связанный с загубником, при этом дыхание осуществляется в среде повышенного давления смесью воздуха, соответствующей по составу атмосферному [1].

Известен способ дыхания «вдох с сопротивлением - выдох с сопротивлением» с использованием акваланга, при котором сопротивление на вдохе создается за счет сопротивления при проходе воздуха через систему обратных клапанов, обеспечивающих срабатывание редуктора давления, редуцирующего сжатый воздух до заборного давления, а сопротивление при выдохе создается за счет сопротивления при удалении воздуха в заборное пространство [1]. При длительности дыхания в акваланге, 2-3 часа на глубине 20-30 м, наблюдаются случаи отравления углекислым газом, основная причина - наличие сопротивления дыханию на выдохе, что при длительности экспозиции приводит к снижению диффузионной способности легких и развития артериально-альвеолярного градиента СО₂ [1, 2, 3].

Известно устройство для подводного плавания - изолирующий противогаз ИП-6 [1], содержащий дыхательную емкость, с возможностью цикличного изменения объема, выполненную в виде эластичного мешка, снабженного продувочным клапаном, связанным с загубником через регенеративный патрон.

Известен способ дыхания «вдох с сопротивлением - выдох с сопротивлением» с использованием изолирующего противогаза ИП-6. При этом сопротивление при вдохе создается при прохождении смеси воздуха из дыхательного мешка через регенеративный патрон, сопротивление при выдохе создается за счет необходимого усилия, вызванного сопротивлением при раздувании дыхательного мешка в среде повышенного давления.

Известен способ дыхания «вдох с сопротивлением - выдох с отрицательным сопротивлением» газовой смесью с % содержанием кислорода и углекислого газа, соответствующей атмосферному воздуху при погружении с аквалангом, данный способ обеспечивается тем, что акваланг оснащен одноступенчатым редуктором давления, снабженным клапаном вдоха, подающим в загубник редуцируемый воздух из баллона сжатого воздуха, и клапаном выдоха, через который сжатый воздух удаляется при выдохе в заборную среду. Что при горизонтальном расположении пловца создает условия, при которых давление воды на уровне загубника выше давления воды на уровне дыхательных клапанов. Для открытия клапана редуктора давления при вдохе аквалангисту необходимо создать разряжение (сопротивление на вдохе), необходимое для преодоления избыточного давления столба жидкости. Выдох происходит через обратный клапан редуктора давления, расположенный в зоне с пониженным давлением, обеспечивая отрицательное сопротивление при выдохе. При использовании в аквалангах данный способ считается недостатком, так как сопротивления дыханию при вдохе и отрицательное сопротивление при выдохе являются переменной величиной и зависят от положения тела пловца [6].

Задача изобретения:

- обеспечить оздоровительное дыхание в замкнутом цикле гипоксически-гиперкапнической смесью воздуха с увеличенным содержанием углекислого газа во вдыхаемой смеси и сниженным содержанием кислорода, исключив при этом развития артериально-альвеолярного градиента СО₂ ;

- обеспечить пребывание под водой до 2-5 мин без использования источника сжатого воздуха и специальных средств очистки воздуха, не допуская снижения диффузионной способности легких по СО ₂ ниже предельно допустимого значения;

- исключить при погружении значительного прилива дополнительного объема крови в кровеносные сосуды альвеол легких, приводящего к развитию гипоксии головного мозга при всплытии.

Для достижения указанной задачи в гипоксикаторе, включающем в себя корпус, а так же дыхательную емкость, снабженную продувочным клапаном и подвижной стенкой, внутренняя полость которой связана с загубником, выполненным с дыхательной трубкой с поплавковым устройством или без нее, подвижная стенка дыхательной емкости выполнена подпружиненной с возможностью регулирования, а корпус дыхательной емкости снабжен звуковыми датчиками определения % содержания кислорода и углекислого газа во вдыхаемой смеси. Дыхательная емкость гипоксикатора может быть выполнена в виде цилиндрической стенки, гофрированной по спирали, в винтовой канавке которой установлена сменная пружина сжатия. Для упрощения конструкции, а так же использования гипоксикатора как дыхательного тренажера в гипоксикаторе, включающем в себя корпус, а так же дыхательную емкость, снабженную продувочным клапаном и подвижной стенкой с возможностью цикличного изменения объема, внутренняя полость которой связана с загубником, выполненным с дыхательной трубкой с поплавковым устройством или без нее, подвижная стенка дыхательной емкости выполнена в виде сменной эластичной упругой мембраны, а корпус дыхательной емкости снабжен звуковыми датчиками определения % содержания кислорода и углекислого газа во вдыхаемой смеси. С целью обеспечения оздоровительного дыхание в замкнутом цикле дыхание осуществляется гипоксически-гиперкапнической смесью воздуха по способу «вдох с сопротивлением - выдох с отрицательным сопротивлением» с применением дыхательной емкости гипоксикатора, при этом сопротивление при вдохе обеспечивается за счет вдоха из зоны с пониженным относительно заборного давлением, создаваемым в дыхательной емкости при вдохе напряжением дыхательных мышц, для преодоления усилия от перемещения подпружиненной подвижной стенки (прогиба эластичной упругой мембраны), а отрицательное сопротивление при выдохе обеспечивается за счет выдоха в зону с пониженным относительно заборного давлением, созданным в дыхательной емкости при погружении или вдохе.

На фиг.1 изображен гипоксикатор в разрезе, в комплекте с дыхательной трубкой до погружения, дыхательная емкость которого выполнена в виде цилиндрической стенки, гофрированной по спирали, в винтовой канавке которой установлена сменная пружина сжатия. На фиг.2 изображен гипоксикатор в разрезе, в комплекте с дыхательной трубкой после погружения, дыхательная емкость которого выполнена в виде цилиндрической стенки, гофрированной по спирали, в винтовой канавке которой установлена сменная пружина сжатия. На фиг.3 изображен гипоксикатор в разрезе, в комплекте с загубником, до погружения, дыхательная емкость которого снабжена подвижной стенкой, выполненной в виде эластичной упругой мембраны. На фиг.4 изображен гипоксикатор, в разрезе, в комплекте с загубником после погружения, дыхательная емкость которого снабжена подвижной стенкой, выполненной в виде эластичной упругой мембраны.

Гипоксикатор с подпружиненной стенкой содержит (фиг.1, фиг.2) корпус 1 с элементами ранцевого крепления (условно не показаны), соединенный герметично с дыхательной емкостью 2, стенка которой 3 выполнена подвижной, а цилиндрическая стенка 4, гофрированной по спирали, в винтовой канавке которой установлена сменная пружина, работающая на сжатие 5. Дыхательной емкость снабжена продувочным обратным клапаном 6 с рабочим направлением в заборное пространство и гибким патрубком 9 связанным с загубником 7. С целью удобства в эксплуатации загубник может быть снабжен дыхательной трубкой, ствол 8 которой оснащен поплавковым устройством 10, герметично запирающим канал ствола трубки при погружении. Для контроля процентного содержания кислорода и углекислого газа в воздушной смеси во внутренней полости дыхательной емкости в корпусе 1 установлены звуковые датчиками (не показаны), фиксирующие максимально допустимую концентрацию содержания кислорода и углекислого газа во внутренней полости дыхательной емкости.

С целью упрощения конструкции, а также при использовании гипоксикатора, как дыхательного тренажера гипоксикатор фиг.3, фиг.4 может быть выполнен в виде корпуса 1 с элементами ранцевого крепления (не показаны), соединенного герметично с дыхательной емкостью 2, к боковой стенке которой быстросъемным соединением крепится сменная эластичная упругая мембрана 11. Дыхательная емкость снабжена продувочным обратным клапаном, с рабочим направлением в заборное пространство и гибким патрубком, связанным с загубником 7. С целью удобства в эксплуатации загубник может быть снабжен дыхательной трубкой (фиг.1), ствол 8 которой оснащен поплавковым устройством 10, герметично запирающим канал ствола при погружении. Для контроля предельно допустимого содержания кислорода и углекислого газа в воздушной смеси в корпусе 1 установлены звуковые датчиками (не показаны) фиксирующие максимально допустимую концентрацию содержания кислорода и углекислого газа во внутренней полости дыхательной емкости.

Работа гипоксикатора с подпружиненной стенкой при погружении (Фиг.1, Фиг.2).

Перед погружением давление в дыхательной емкости гипоксикатора Р равно заборному Рз и атмосферному давлению Ра, фиг.1. При погружении на глубину h заборное давление увеличивается пропорционально глубине погружения, при этом поплавковое устройство запирает канал дыхательной трубки, а подвижная подпружиненная стенка дыхательной емкости с сечением S перемещается на ход «а», сжимая пружину сжатия 5 с усилием сжатия F, что обеспечивает снижение объема и увеличение давления в дыхательной емкости до значения Р=Рз-Р*, где Р*=1-5 мм рт.ст., падение давления в дыхательной емкости относительно заборного вызвано сжатием пружины 5, при перемещении подвижной стенки 3 с сечением S, равное Р*=F/S. Вдох пловец проводит с напряжением (сопротивление при вдохе) за счет необходимости создания в дыхательных путях давления ниже заборного на Р*, равного давлению в дыхательной емкости Р=Рз-Р*, при незначительном снижении которого подвижная подпружиненной стенка, перемещаясь от действия заборного давления, обеспечивает вдох. Выдох производится в дыхательную емкость гипоксикатора, давление в которой после погружения или вдоха всегда ниже заборного на величину Р*, что обеспечивается отрицательным сопротивлением при выдохе. При достижении во вдыхаемом воздухе предельно допустимых значений углекислого газа и кислорода срабатывают соответствующие звуковые датчики, давая сигнал на всплытие. При всплытии пловец производит мини-выдохи в дыхательную емкость, которая восстанавливает свой прежний объем при всплытии за счет разжатия пружины 5, связанной с подвижной стенкой 3. При достижении поверхности поплавковый клапан дыхательной трубки открывает канал дыхательной трубки, связывая внутреннюю полость дыхательной емкости с атмосферным воздухом. В течение 2-3 мин после всплытия за счет диффузии газов происходит выравнивание парциальных давлений кислорода и углекислого газа во внутренней полости дыхательной емкости до его значений в атмосферном воздухе. Конденсат и вода из дыхательной емкости удаляется через продувочный клапан продувкой. Объем дыхательной емкости и величина падения давления Р* определяются из расчета предельной глубины погружения и подготовкой пловца.

Работа гипоксикатора с подпружиненной стенкой как дыхательного тренажера. Дыхательная емкость снабжена загубником, фиг.3. Перед вдохом давление в дыхательной емкости гипоксикатора Р равно давлению атмосферного воздуха Р=Ра. При вдохе в дыхательной емкости создается разряжение с давлением, равное Р=Ра-Р*, где Р*=1-5 мм рт.ст. величина падения давления, создаваемого от действия пружины 5 подвижной стенки 3. Р*=F/S, где F - усилие пружины, S - площадь сечения подвижной стенки, при этом подвижная стенка, перемещаясь на объем вдоха, сжимает пружину 5, что обеспечивает вдох с сопротивлением. Выдох производится в дыхательную емкость гипоксикатора в зону с пониженным относительно атмосферного давлением на величину Р*, что обеспечивает отрицательное сопротивление при выдохе. При достижении во вдыхаемом воздухе предельно допустимых значений углекислого газа и кислорода срабатывают соответствующие звуковые датчики, давая сигнал на прекращение тренировки.

Работа гипоксикатора, подвижная стенка которого выполнена в виде сменной эластичной упругой мембраны, при погружении Фиг.3, Фиг.4, снабженного загубником с дыхательной трубкой. При погружении на глубину h заборное давление увеличивается пропорционально глубине погружения, при этом поплавковое устройство запирает канал дыхательной трубки, а эластичная упругая мембрана с сечением S прогибается на ход «а» фиг.4, что обеспечивает снижение объема и увеличение давление в дыхательной емкости до значения Р=Рз-Р*, где Р* - падение давления в дыхательной емкости, вызванное прогибом эластичной упругой мембраны, равное Р*=F/S=1-5 мм рт.ст., где F - усредненное значение силы упругости сменной эластичной мембраны. Вдох пловец проводит с напряжением (сопротивление при вдохе) за счет необходимости создания в дыхательных путях давления ниже заборного на Р*, равного давлению в дыхательной емкости Р=Рз-Р*, при незначительном снижении которого эластичная упругая мембрана, прогибаясь от действия заборного давления, обеспечивает вдох. Выдох производится в дыхательную емкость гипоксикатора, давление в которой после погружения или вдоха всегда ниже заборного на величину Р*, что обеспечивает отрицательное сопротивление при выдохе. При достижении во вдыхаемом воздухе предельно допустимых значений углекислого газа и кислорода срабатывают соответствующие звуковые датчики, давая сигнал на всплытие. При всплытии пловец производит мини-выдохи в дыхательную емкость, которая восстанавливает свой прежний объем при всплытии за счет сокращения эластичной упругой мембраны. Объем дыхательной емкости и величина падения давления Р* определяются из расчета предельной глубины погружения и подготовкой пловца.

Работа гипоксикатора как дыхательного тренажера, подвижная стенка которого выполнена в виде сменной эластичной упругой мембраны. Дыхательная емкость снабжена загубником, фиг 3. Перед вдохом давление в дыхательной емкости гипоксикатора Р равно давлению атмосферного воздуха Р=Ра. При вдохе в дыхательной емкости создается разряжение, равное Р=Ра-Р*, подвижная стенка, перемещаясь на объем вдоха, сжимает пружину 5, что обеспечивает вдох с сопротивлением, где Р* - величина падения давления, создаваемого от действия сменной эластичной упругой мембраны Р*=F/S=1-5 мм рт.ст., где F - усредненное значение силы упругости сменной эластичной мембраны, S - площадь сечения мембраны. Выдох производится в дыхательную емкость гипоксикатора в зону с пониженным относительно атмосферного давлением на величину Р*, что обеспечивает отрицательное сопротивление при выдохе. При достижении во вдыхаемом воздухе предельно допустимых значений углекислого газа и кислорода срабатывают соответствующие звуковые датчики, давая сигнал на прекращение тренировки. Перед вдохом давление в дыхательной емкости гипоксикатора Р равно давлению атмосферного воздуха Р=Ра. При вдохе в дыхательной емкости создается разряжение с давлением ниже заборного, равным Р=Ра-Р*, где Р* - величина падения давления, вызываемого усилием пружины или мембраной. При снижении давления в дыхательной емкости от Ра до значения Р=Ра-Р* эластичная упругая мембрана прогибается на объем вдоха, что обеспечивает вдох с отрицательным сопротивлением. Выдох производится в дыхательную емкость гипоксикатора в зону с пониженным относительно заборного давлением на величину Р*, что обеспечивает отрицательное сопротивление при выдохе. При достижении во вдыхаемом воздухе предельно допустимых значений углекислого газа и кислорода срабатывают соответствующие звуковые датчики, давая сигнал на всплытие.

Выполнение дыхание по способу "вдох с сопротивлением - выдох с отрицательным сопротивлением", в замкнутом цикле гипоксически-гиперкапнической смесью воздуха позволяет увеличить диффузионную способность легких и исключить вероятность развития артериально-альвеолярный градиента СО ₂ при увеличенном процентном содержании углекислого газа во вдыхаемой воздухе по следующим основаниям. В соответствии с законом Фике [2] скорость переноса газа через альвеолярно-капилярную мембрану прямо пропорциональна разнице парциального давления углекислого газа по обе стороны мембраны, известной как диффузионная способность легких по СО₂.

D _LCO=V_G/(P₁-P ₂);

V_G=D_LCO (P₁-P₂),

где V_G - скорость переноса газа через тканевую поверхность;

P₁ - парциальное давление газа по одну сторону тканевой перегороди;

P ₂ - парциальное давление газа по другую сторону тканевой перегороди,

т.е. диффузионная способность легких определяется как скорость потока газа через легкие, деленная на градиент давления (P₁-P₂).

Поскольку растворимость СО₂ в тканях в 20 раз больше, чем кислорода, то и скорость диффузии СО₂ через альвеолярно-капилярную мембрану в 20 раз выше. В связи с чем система обладает значительными резервами относительно диффузии СО₂. Артериально-альвеолярный градиент СО₂ - (отравление углекислым газом) развивается, когда D_LCO снижается примерно до 25% от нормальной величины,

С учетом изложенного увеличить предельно допустимое содержание СО₂ во вдыхаемом воздухе, не допуская предельно допустимого снижения D _LCO, возможно за счет увеличения градиента давления (P ₁-P₂). Увеличение градиента давления позволит обеспечить безопасного дыхание гипоксически-гиперкапнической смесью воздуха за счет способа дыхания «вдох с сопротивлением - выдох с отрицательным сопротивлением», что обеспечивается применением при дыхании заявленного устройства. Применение которого обеспечивает:

- выполнение дыхание гипоксически-гиперкапнической смесью воздуха по способу «вдох с сопротивлением - выдох с отрицательным сопротивлением», исключая при этом развития артериально-альвеолярного градиента СО₂;

- пребывание под водой до 2-5 мин без использования источника сжатого воздуха и специальных средств очистки воздуха, не допуская снижения диффузионной способности легких по СО₂ ниже предельно допустимого значения;

- исключение при погружении значительного прилива дополнительного объема крови к кровеносным сосудам альвеол легких, приводящим к гипоксии головного мозга при всплытии.

Источники информации

1. Физиология и патология подводных погружений и меры безопасности на воде. Москва: Издательство ДОСААФ СССР, 1986 г.

2. Каталог продукции фирмы «mares» - Италия: Торговый дом ЦАРЬ. Москва, ул. Кастанаевская, 42 - 1998 г.

3. К.Ф.Закощиков, С.О.Катин. Гипокситерапия - «Горный воздух». М.: Бумажная галерея, 2001.

4. Майкл А. Гриппи. Патофизиология легких. Москва: БИНОМ, 1997 г.

5. Патент России: Гипоксикатор-гиперкапникатор. В.Ф.Фролова. №1790417, 1993 г., №212469, 1999 г.

6. Нехорошев А.С. - «С аквалангом на глубину. - М.: ДОСОАФ, 1977.