Индивидуальное дыхательное устройство устьянцева-величковского
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам, предназначенным для создания гипокси-гиперкапнической воздушной смеси, при вдыхании которой улучшается кровоснабжение органов и тканей, повышается работоспособность. Индивидуальное дыхательное устройство содержит объединяющую полости рта и носа резиновую дыхательную маску, подмасочное пространство которой соединено с мешком для сбора выдыхаемого воздуха через заборник атмосферного воздуха с регулятором вдыхаемой воздушной смеси, состоящим из ряда пробок со сквозными отверстиями разного диаметра, установленных в основных сквозных отверстиях. Основные сквозные отверстия расположены в заборниках атмосферного воздуха, имеются раздельные каналы вдоха и выдоха, изолированные клапанами вдоха и выдоха, расположенными в дыхательной маске, причем канал выдоха, образованный клапаном выдоха и соединительными трубками, сообщает подмасочное пространство с расположенными по бокам дыхательной маски заборниками атмосферного воздуха, которые с находящимися на них мешками для сбора выдыхаемого воздуха сообщаются с клапанами вдоха и вместе образуют канал вдоха. Устройство поддерживает заданную концентрацию кислорода и углекислого газа во вдыхаемой воздушной смеси вне зависимости от дебита легочного дыхания и может применяться как в состоянии покоя, так и при выполнении работы. 1 ил.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам, предназначенным для создания гипокси-гиперкапнической воздушной смеси, при вдыхании которой стимулируются адаптационные механизмы организма, повышается работоспособность, изменяется просвет кровеносных сосудов, улучшается кровоснабжение органов и тканей.
Известны гипоксикаторы [Авторские свидетельства №1335294, 1526699, 1602543, Патенты Российской Федерации №1826918, 2074742, 2040280, 2004261 и др.] - устройства, создающие гипоксическую воздушную смесь, при вдыхании которой уменьшается содержание кислорода в артериальной крови, в результате чего достигается известный эффект прерывистой нормобарической гипокситерапии. Гипокситерапия стимулирует иммунные процессы, повышает защитные силы организма к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, увеличивает работоспособность [Величковский Б.Т. Возможности адаптационной медицины в профилактике заболеваний. Российский государственный университет, 2001]. Принцип работы гипоксикаторов основан либо на вдыхании обедненной по кислороду выдохнутой воздушной смеси (возвратное дыхание), содержащейся в резервуаре (дыхательном мешке или жесткой емкости), либо на вдыхании обедненной по кислороду воздушной смеси, находящейся под давлением в баллонах. В гипоксикаторах, основанных на возвратном дыхании, выдыхаемый воздух перед его повторным поступлением в дыхательные пути очищается от углекислого газа специальными поглотителями. Например, известен гипоксикатор - аппарат для дыхания проф. Р.Б. Стрелкова [Патент Российской Федерации №2040279]. Он содержит единый канал вдоха-выдоха, образованный сообщающимися маской и дыхательным мешком, и заборник атмосферного воздуха с регулятором, причем между маской и мешком установлены съемный фильтр с противовирусным и противобактериальным элементами и поглотитель углекислого газа с присоединительными патрубками, при этом заборник выполнен в виде ряда основных сквозных отверстий в патрубках поглотителя углекислого газа, а регулятор в виде ряда пробок со сквозными отверстиями разного диаметра, установленных в основных сквозных отверстиях патрубка со стороны маски с возможностью их совместного либо поочередного перекрытия. Следует подчеркнуть, что ни одна из съемных пробок не является «полной» заглушкой, то есть все они имеют то или иное сквозное отверстие, чем достигается соблюдение принципа безопасности. Аппарат для дыхания проф. Р.Б. Стрелкова имеет массу 0,7 кг и выбран за прототип заявляемого устройства.
Гипоксикаторы не предназначены для создания гиперкапнической воздушной смеси - смеси с содержанием повышенного количества углекислого газа, при вдыхании которого происходит дополнительное насыщение крови углекислым газом. Известно, что содержащийся в крови углекислый газ обладает полезным для организма сосудорасширяющим свойством и повышенное содержание в крови собственного углекислого газа является самостоятельным благотворным фактором естественной природы [Маршак М.Е. Физиологическое значение углекислоты. М.: Медицина, 1969; Агаджанян Н.А., Красников Н.П., Полунин И.Н. Физиологическая роль углекислоты и работоспособность человека. Москва-Астрахань-Нальчик: Изд-во Астраханской государственной медицинской академии, 1995. - С.8-9]. Недостатком аппарата для дыхания проф. Р.Б. Стрелкова является его большая масса (0,7 кг), обостряющая неприятные ощущения деформации мягких тканей лица и утяжеления головы при использовании этого аппарата.
Известны устройства гипоксикаторы-гиперкапникаторы (тренажер дыхательный индивидуальный - ТДИ-01 или ингалятор Фролова, выпускаемый ООО фирма «Динамика», г. Новосибирск [Патент Российской Федерации №1790417], и тренажер физкультурный имитатор - ТФИ, выпускаемый НПП «Самоздрав», г. Самара), создающие гипокси-гиперкапнические воздушные смеси, при вдыхании которых достигается эффект сочетанного благоприятного для организма воздействия физиологических уровней недостатка кислорода и избытка углекислого газа в артериальной крови. При дыхании с применением ТДИ-01 и ТФИ происходит искусственное увеличение мертвого пространства в физиологической дыхательной системе, в котором создается воздушная смесь, состоящая из выдохнутого и атмосферного воздуха. Например, ТДИ-01 состоит из двух-трех жестких резервуаров для сбора выдыхаемого воздуха (внутренней камеры с сетчатым дном, расположенной в стакане, который может находиться в банке - внешней камере с крышкой), сообщающихся посредством регулируемых отверстий между собой, с атмосферой и с дыхательной трубкой, на конце которой имеется мундштук. Регулирование состава воздушной смеси по кислороду и углекислому газу может достигаться дозированным заполнением водой резервуаров устройства. При уменьшении количества заливаемой воды объем мертвого пространства увеличивается, что обеспечивает возможность постепенного увеличения содержания углекислого газа и уменьшения кислорода в указанных резервуарах и во вдыхаемой воздушной смеси. Изменением просвета отверстий между сообщающимися резервуарами регулируется сопротивление вдоху-выдоху.
ТФИ состоит из трех жестких резервуаров для сбора выдыхаемого воздуха (внутренней камеры, выполняющей роль крышки стакана, стакана, который находится в банке - внешней камере с крышкой), сообщающихся с дыхательной трубкой, на конце которой имеется мундштук. Регулирование состава воздушной смеси может достигаться изменением объема мертвого пространства дозированным заполнением водой резервуаров устройства.
ТДИ-01 и ТФИ характеризуются рядом недостатков. Во-первых, аппараты имеют малый объем мертвого пространства (не более 1 литра у ТДИ-01 и 1,5 литра у ТФИ). В результате малого объема мертвого пространства ТДИ-01 и ТФИ эффективны только при выполнении неглубоких дыхательных движений (до 1000-1500 мл). При вдохе более 1000-1500 мл ТДИ-01 и ТФИ не создают необходимую для тренирующего эффекта концентрацию кислорода и углекислого газа во вдыхаемой воздушной смеси, поскольку вдыхаемая воздушная смесь интенсивно разбавляется атмосферным воздухом, в результате чего обогащается кислородом и обедняется углекислым газом. При дыхании с объемом вдоха, приближающимся к объему воздуха, соответствующему жизненной емкости легких вдыхаемая воздушная смесь разбавляется атмосферным воздухом в 3-4,5 раза. Например, при вдохе объемом 3000 мл в дыхательные пути поступает 1000-1500 мл отрегулированной по кислороду и углекислому газу воздушной смеси, содержащейся внутри аппаратов ТДИ-01 и ТФИ, и 2000-1500 мл неорганизованного атмосферного воздуха. Во-вторых, для эффективного применения ТДИ-01 и ТФИ пациент перед сеансом вынужден овладеть диафрагмальным типом дыхания и в процессе сеанса постоянно контролировать глубину своего дыхания и усилием воли снижать непроизвольное углубление вдоха, вызванное объективным процессом обеднения крови кислородом и насыщения ее углекислым газом от вдыхания гипокси-гиперкапнической воздушной смеси, что затрудняет применение устройств. Увеличение дебита легочного дыхания при вдыхании гипокси-гиперкапнических воздушных смесей происходит непроизвольно, поэтому глубину вдоха очень трудно и не всегда удается снизить. В-третьих, ТДИ-01 и ТФИ создают изменение содержания кислорода и углекислого газа в дыхательной смеси лишь в узком диапазоне по отношению к их количеству в атмосферном воздухе, что затрудняет обеспечение индивидуального подбора тренирующего состава гипокси-гиперкапнической воздушной смеси людьми с различным исходным функциональным статусом либо находящимися в состояниях различной физической активности. В-четвертых, применение ТДИ-01 и ТФИ связано с необходимостью удерживания аппаратов в руках и дополнительно отключать носовое дыхание наложением двух пальцев сверху на крылья носа, что не обеспечивает комфортных условий применения аппаратов, делает невозможным дозированное их применение при выполнении ручных работ и затрудняет выполнение сеанса гипокси-гиперкапнической профилактики нарушений здоровья, который является эффективным при 20-30-минутной длительности применения аппаратов.
В настоящее время медицина труда не имеет устройства, способного активировать адаптационные возможности работника, повысить его сопротивляемость неблагоприятному воздействию факторов производственной среды и трудового процесса и способного выполнять роль средства первичной профилактики нарушений здоровья, то есть которое может применяться в течение самой работы, не вызывая при этом препятствий для ее выполнения.
Задачей, решаемой изобретением, является создание индивидуального дыхательного устройства (гипоксикатора-гиперкапникатора), позволяющего получить воздушную смесь в широком диапазоне обеднения кислородом и обогащения углекислым газом для прерывистой нормобарической гипокси-гиперкапнической профилактики нарушений здоровья, обеспечение заданной концентрации кислорода и углекислого газа во вдыхаемой воздушной смеси вне зависимости от дебита легочного дыхания и расширение области применения.
Поставленная задача решена тем, что в устройство (аппарат для дыхания проф. Р.Б. Стрелкова), включающее объединяющую полости рта и носа резиновую дыхательную маску, подмасочное пространство которой соединено с мешком для сбора выдыхаемого воздуха через заборник атмосферного воздуха с регулятором вдыхаемой воздушной смеси, состоящим из ряда пробок со сквозными отверстиями разного диаметра, установленных в основных сквозных отверстиях, введены отличительные существенные признаки, а именно: основные сквозные отверстия расположены в корпусах двух заборников атмосферного воздуха, имеются раздельные каналы вдоха и выдоха, изолированные двумя клапанами вдоха и одним клапаном выдоха, расположенными в дыхательной маске, причем канал выдоха, образованный клапаном выдоха и соединительными трубками, сообщает подмасочное пространство с расположенными по бокам дыхательной маски двумя заборниками атмосферного воздуха, которые с находящимися на них двумя мешками для сбора выдыхаемого воздуха сообщаются с клапанами вдоха и вместе образуют канал вдоха, причем устройство не содержит фильтра с противовирусным и противобактериальным элементами и поглотителя углекислого газа.
Мешки для сбора выдыхаемого воздуха выполнены из полиэтилена и имеют общий объем 5-6 л. Указанный объем мешков для сбора выдыхаемого воздуха с учетом остальных искусственных воздухоносных полостей (подмасочное пространство, заборники атмосферного воздуха) превышает жизненную емкость легких человека, которая составляет 3,5-4,5 л, и объем естественного мертвого пространства человека, в среднем равного 0,140 л [Бабский Е.Б., Зубков А.А., Косицкий Г.И., Ходоров Б.И. Дыхание. «Физиология человека». М.: Медицина, 1966. - С 134-172]. В результате, при использовании заявляемого дыхательного устройства создаются условия для регулировки вдыхаемой воздушной смеси в широком диапазоне физиологических концентраций кислорода и углекислого газа (от максимально приближенного их содержания в атмосферном воздухе до их объема в выдыхаемом воздухе) при любом дебите легочной вентиляции, в том числе, вызванной физическим трудом. Выдыхаемый воздух содержит в среднем 16,3% кислорода и 4% углекислого газа. В выдыхаемом воздухе при физическом труде содержание кислорода может снизиться до 10-8%, а углекислого газа увеличиться до 5-6%. Концентрации кислорода и углекислого газа во вдыхаемой воздушной смеси пациент сам может отрегулировать (в зависимости от самочувствия) при помощи регуляторов вдыхаемой воздушной смеси до содержания, близкого к объему этих газов в атмосферном воздухе. Атмосферный воздух, который вдыхает человек, находясь вне помещения (или в хорошо вентилируемых помещениях), кроме азота, являющегося индифферентным газом, содержит 21% кислорода и 0,03% углекислого газа. Таким образом, заявляемое индивидуальное дыхательное устройство может обеспечить во вдыхаемой воздушной смеси снижение объемной доли кислорода от 21-20 до 10-8%, и повышение объемной доли углекислого газа от 0,03-0,04 до 5-6%. При использовании заявляемого индивидуального дыхательного устройства заданная регулировкой концентрация кислорода и углекислого газа (в покое и в состоянии физической активности пациента) не зависит от дебита легочного дыхания, что повышает эффективность сеансов гипокси-гиперкапнической профилактики нарушений здоровья.
Заявляемое индивидуальное дыхательное устройство имеет массу 0,20 кг, в рабочем состоянии находится на лицевой части головы пациента, не снижает обзор и не ограничивает свободу движений звеньев локомоторной системы. Назначение заявляемого дыхательного устройства только для индивидуального применения и его своевременная санитарная обработка исключают необходимость применения фильтра с противовирусным и противобактериальным элементами.
На чертеже изображен общий вид заявляемого индивидуального дыхательного устройства. Устройство содержит резиновую дыхательную маску 1, имеющую два клапана для вдоха 2 и один клапан для выдоха 3, заборники атмосферного воздуха 4, регуляторы состава вдыхаемой воздушной смеси 5, пробки со сквозными отверстиями 6, соединительные трубки 7, мешки для сбора выдыхаемого воздуха 8.
Для приведения заявляемого индивидуального дыхательного устройства в рабочее состояние в целях проведения сеанса гипокси-гиперкапнической тренировки необходимо в дыхательную маску 1 произвести несколько (2-3) выдоха для наполнения мешков 8 некоторым количеством воздуха. Дыхательную маску 1 герметично присоединяют к лицу, закрепляют на лице при помощи резиновых ремешков (не указаны) и регулируют воздушную смесь, поступающую через клапаны вдоха, созданием такого диаметра сквозных отверстий в регуляторах состава вдыхаемой воздушной смеси, при котором испытывается потребность в углублении вдоха. Регулировка объемной доли кислорода и углекислого газа во вдыхаемой воздушной смеси (качества воздушной смеси) производится самим пациентом одновременным либо поочередным перекрытием пробками со сквозными отверстиями разного диаметра основных сквозных отверстий в заборниках атмосферного воздуха. Качество воздушной смеси, выбираемое пациентом, зависит от его самочувствия и может произвольно подвергаться изменению в любой период сеанса.
Заявляемое индивидуальное дыхательное устройство работает следующим образом. При выдохе (клапаны вдоха закрыты) воздух с пониженным содержанием кислорода через клапан 3 выдоха поступает в заборники атмосферного воздуха 4, в мешки для сбора выдыхаемого воздуха 8 и частично выбрасывается в окружающую атмосферу через сквозные отверстия в пробках 6. При вдохе (клапан выдоха закрыт) клапаны 2 вдоха открываются. Воздушная смесь с пониженной концентрацией кислорода и повышенной долей углекислого газа (определяются индивидуальными особенностями и уровнем физической активности пациента) из мешков для сбора выдыхаемого воздуха 8 через заборники атмосферного воздуха 4 поступает на вдох. Одновременно на вдох поступает воздух из окружающей среды через сквозные отверстия в пробках 6. Соотношение потоков, поступающих на вдох из мешков для сбора выдыхаемого воздуха 8 и из окружающей атмосферы через сквозные отверстия в пробках 6, определяется аэродинамическим сопротивлением общего диаметра сквозных отверстий в пробках 6 и общего диаметра входных отверстий в мешках для сбора выдыхаемого воздуха 8. При последующих циклах дыхания, когда остаточный атмосферный воздух в мешках для сбора выдыхаемого воздуха 8 разбавится выдыхаемым воздухом, концентрация кислорода и углекислого газа во вдыхаемой газовоздушной смеси устанавливается постоянной для данного уровня физической активности пациента, так как объемная доля воздуха, подсасываемого из окружающей атмосферы через сквозные отверстия в пробках 6 при любом дебите легочного дыхания, зависит только от отрегулированного просвета этих отверстий.
Испытания заявляемого дыхательного устройства в сеансах непрерывной длительности по 30 минут в сутки показали, что он может применяться пациентом в состоянии покоя и при выполнении физических упражнений руками, ногами и туловищем, а также работником в производственных условиях в периоды, не сопровождающиеся нагрузкой на голосовой аппарат. Производственные испытания проводились при выполнении работ, связанных с применением компьютера и решением задач с выбором по известным алгоритмам, с творческой деятельностью и контролем производственного процесса, ручной обработкой металла, камня и мойкой посуды в профессиях лаборант химического анализа, чертежник-конструктор, художник-модельер, дизайнер, слесарь-инструментальщик. Таким образом, в заявляемом индивидуальном дыхательном устройстве достигается цель изобретения: создается воздушная смесь в широком диапазоне обеднения кислородом и обогащения углекислым газом для прерывистой нормобарической гипокси-гиперкапнической профилактики нарушений здоровья, поддерживается заданная концентрация кислорода и углекислого газа во вдыхаемой воздушной смеси вне зависимости от дебита легочного дыхания и расширяется область применения за счет снижения массы и возможности использования в процессе выполнения работы.
Индивидуальное дыхательное устройство, содержащее объединяющую полости рта и носа резиновую дыхательную маску, подмасочное пространство которой соединено с мешком для сбора выдыхаемого воздуха через заборник атмосферного воздуха с регулятором вдыхаемой воздушной смеси, состоящим из ряда пробок со сквозными отверстиями разного диаметра, установленных в основных сквозных отверстиях, отличающееся тем, что основные сквозные отверстия расположены в заборниках атмосферного воздуха, имеются раздельные каналы вдоха и выдоха, изолированные клапанами вдоха и выдоха, расположенными в дыхательной маске, причем канал выдоха, образованный клапаном выдоха и соединительными трубками, сообщает подмасочное пространство с расположенными по бокам дыхательной маски заборниками атмосферного воздуха, которые с находящимися на них мешками для сбора выдыхаемого воздуха сообщаются с клапанами вдоха и вместе образуют канал вдоха.
