УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИПОКСИЧЕСКОЙ, ГИПЕРОКСИЧЕСКОЙ И НОРМОКСИЧЕСКОЙ ДЫХАТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ И ИНТЕРВАЛЬНОЙ КОМПЛЕКСНОЙ НОРМОБАРИЧЕСКОЙ ТРЕНИРОВКИ
DEVICE FOR PRODUCTION OF HYPOXIC, HYPEROXIC AND NORMOXIC RESPIRATORY MIXTURES AND INTERVAL COMPLEX NORMOBARIC TRAINING

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для получения и применения гипо-, гипер- и нормоксических дыхательных смесей в целях комплексной тренировки людей для повышения их неспецифической резистентности и компенсаторной способности.
В ходе развития научных и прикладных исследований в этой области рекомендовано применять искусственно создаваемые гипер- и гипоксию организма, например, для тренировки спортсменов, которые призваны выдерживать максимальные соревновательные нагрузки, а также специалистов для выполнения работ в экстремальных условиях: высоко в горах, в космосе, на морских глубинах, под землей, в частности при строительстве и эксплуатации гидротехнических и подземных сооружений. Можно предложить такой метод воздействия также людям с нарушениями дыхательной и/или циркуляторной системы для профилактики и лечения, однако только после проведения успешных клинических испытаний.
Дыхание воздушной смесью с пониженным содержанием кислорода и влияние гипоксии на состояние организма человека с 80-х годов прошлого столетия стали предметом научных и экспериментальных исследований в СССР, России и Украине. Об этом свидетельствуют публикации таких крупных центров, как НГУ физкультуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта в Санкт-Петербурге, РГА физической культуры в Москве, Академия проблем гипоксии и НУФВСУ в Киеве, Харьковская государственная академия физической культуры.
Для физиологии спорта всегда актуальны поиск механизмов адаптации человеческого организма к высоким физическим нагрузкам, так же как разработка недопинговых методов и средств для коррекции функционального состояния спортсменов, направленного на достижение результатов мирового уровня. К ним относится интервальная гипоксическая, в т.ч. гиперкапническая, тренировка (ИГТ, ИГГТ), как эффективный метод, основанный на адаптирующем и стимулирующем действии гипоксического (попеременно с нормоксическим или гипероксическим) дыхания. В приведенных ниже статьях из журналов и главах книг даны теоретические обоснования и практические результаты интервального воздействия гипоксии на дыхательную, сердечно-сосудистую и центральную нервную системы человека (для ЦНС совместно с краниальной электростимуляией): Агаджанян Н.А., Ефимов А.И. Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии // М., Медицина, 1986, 269 с.; Колчинская A.З. Механизмы действия ИГТ //Hypoxia Medical J., 1993, №1, с. 5-8; Хоточкина Л.В. ИГТ как средство улучшения физического состояния гребцов и повышения работоспособности // Hypoxia Medical J., 1993, №2, с. 38-40; Малюта В.И. Использование прерывистой нормобарической гипоксии для реабилитации футболистов // Доклады Академии проблем гипоксии. Киев, 1998, с. 106-107; Волков Н.И. Интервальная тренировка в спорте // М., Физкультура и спорт, 2000, 162 с.; Нудельман Л.М. ИГТ в спорте // Теория и практика физкультуры, 2008, №12, с. 34-36; Мясникова Е.Ф. и др. Применение методов ИГТ в ацикличеких видах спорта // Ученые записки университета Лесгафта, 2009, №2 (48); Цветков С.А. и др. Технология интервальной гипоксической тренировки для повышения работоспособности велосипедистов // Ученые записки университета Лесгафта, 2012, №11 (93).
Из практических примеров курсовой тренировки (ИГГТ) баскетболистов, дзюдоистов и каратистов можно отметить достоверные и существенные улучшения по 8 показателям дыхательной и сердечно-сосудистой системы из 13 у всех спортсменов экспериментальной группы. Такой метод, наряду со специальными упражнениями, был рекомендован для использования в других ациклических видах спорта.
Для осуществления гипоксических методов тренировки не только спортсменов, но и обычных людей, выполняющих работы часто или исключительно в экстремальных условиях, требуются простые в управлении и надежные при эксплуатации дыхательные аппараты, повышающие выносливость и скоростные качества человека. Разработка дыхательных аппаратов-тренажеров для получения гипоксических воздушных смесей первоначально была вызвана необходимостью тренировки жителей равнинных областей (близких к уровню моря) для посещения горных районов и работы в условиях средне- и высокогорья. Акклиматизация даже на средних высотах, где парциальное давление кислорода на 10-30% ниже обычного, приводила к плохому самочувствию (головной боли, учащению дыхания, бессоннице, тошноте) иногда в течение длительного периода. Конструкции аппаратов-гипоксикаторов, начиная примерно с последней трети прошлого века, приведены в описаниях зарубежных и отечественных изобретений.
2
2
2
Найдена серия американских патентов, опубликованных на пороге 80-х годов автора Henkin M.L. US 4086923 (1978), US 4210137 (1980) и US 4334533 (1982). Предложенные аппараты состоят из типовых элементов: маски (полумаски) лицевой или носовой, одного объединенного шланга или двух трубок для вдоха и выдоха, прямых или/и обратных клапанов, дыхательного резервуара для накопления воздушной гипоксической смеси, снабженного поглотителем углекислого газа и соединенного с линиями выдоха и вдоха. В более позднем патенте Henkin M.L. удаленные концы трубок выдоха и вдоха связаны через распределитель потоков с атмосферным воздухом и резервуаром для накопления гипоксической газовой смеси. При этом варьирование при помощи распределителя соотношением атмосферного и выдыхаемого воздуха и таким же образом концентрацией кислорода во вдыхаемой смеси дает возможность пользователю выбрать моделируемую высоту. В другой конструкции оба нижних конца трубок для вдоха и выдоха проходят в резервуар через канистру с абсорбентом СO, первый - для засасывания обедненного кислородом воздуха при вдохе через респиратор, второй - для накопления воздуха после удаления углекислого газа. Маска снабжена патрубком определенного размера для выхода заранее измеренного объема выдыхаемого воздуха в атмосферу, остальная часть поступает в резервуар. При вдохе засасываемый из резервуара гипоксический воздух смешивается с атмосферным, входящим через патрубок в маску, и этой смесью дышит пользователь. Разные размеры патрубков используются для моделирования различных высот. В патенте US 5850833 (1998) также использован метод возвратного дыхания (ререспирации) в комбинации с мембранным методом снижения содержания O и удаления СO.
2
В заявке №0095994 на патент США, поданной 01.10.2014 и опубликованной в 2016 году, предложен аппарат усовершенствованной конструкции, который позволяет проводить процедуру гипоксия-нормоксия и исключить недостатки предыдущих изобретений на устройства с использованием возвратного дыхания. Аппарат состоит из корпуса, в котором размещены две камеры, одна внутри другой, блок управления, система клапанов и датчики. Во внутренней камере установлен скруббер для поглощения СO из выдыхаемого воздуха, который поступает во внешнюю камеру, связанную с дыхательной маской для вдоха. Блок управления с помощью клапанов регулирует состав смеси и, с учетом показателей датчиков состояния пациента, индивидуальную гипоксическую тренировку.
2
2
Краткие рефераты выбранных российских патентов, защищающие конструкции гипоксикаторов, основанных на сборе выдыхаемого газа, приведены ниже. Гипоксикатор профессора Стрелкова Р.Б. (RU 1826918, 1993), предназначенный для создания гипоксии в организме человека и животных, содержит маску, клапаны вдоха и выдоха, установленные в корпусе клапанной коробки, к которой присоединены заборник атмосферного воздуха и коробка с двумя противомикробными фильтрами, сообщаемая с маской. Поглотитель СO связан с линией выдоха и дыхательным резервуаром, из которого при вдохе в маску поступает обедненный кислородом воздух. Устройство для нормобарической гипокситерапии (RU 2019199, 1994) применяют для повышения устойчивости организма при патологических состояниях. Цель изобретения - обеспечение подбора индивидуального состава гипоксисмеси и повышение безопасности пациента. Устройство содержит источник газовоздушной смеси, образованный компрессором, мембранным газоразделительным аппаратом и регулируемым вентилем, установленным на выходе гипоксической смеси; второй выход - для гипероксической смеси, соединен с атмосферой для сброса части потока. При этом другая часть поступает в канал подачи гипоксической смеси для поддержания концентрации кислорода. При изменении расхода потока газа, обедненного кислородом, происходит изменение состава смеси и регулируется содержание в ней O в диапазоне от 1 до 16 об. %. Эта смесь поступает по трубопроводу в маску пациента для дыхания. Мембрана газоразделителя выполнена из полимера «Гравитон» на основе полиметилпентена в виде полых трубок. Однако нельзя признать работу предложенного устройства безопасной, если автор определяет содержание кислорода в гипоксисмеси от 1%.
2
2
2
2
2
Такая концентрация может привести даже к летальному исходу при дыхании человека. Следует отметить, что все конструктивные элементы и их взаимосвязи в данном изобретении положены в основу двух последующих изобретений российских авторов, на которые выданы ЕР 472799 (1997) и US 6009870 (2000) и которые по существу можно назвать аналогами патента РФ 2019199. Конструкция гипоксикатора (RU 2167677, 2001) включает маску, трубки для вдоха и выдоха, объединенные в одном канале, который связан с дыхательным мешком, стакан с поглотителем СO, в стенке которого выполнены регулируемые отверстия для забора атмосферного воздуха. Суммарная площадь сечений калиброванных отверстий составляет 0,05-0,5 от минимальной площади проходного сечения между устройством и дыхательным мешком. В устройство вмонтированы противовирусный и антибактериальный фильтры. Дыхательный аппарат «Вторая молодость» (RU 2326700, 2008) содержит маску, клапаны и шланг для вдоха и выдоха воздушной смеси, дыхательный резервуар, снабженный зажимом, и воздухозаборную камеру, в которой расположен стакан с поглотителем СO, осушителем и соляной емкостью, разделенными воздухопроницаемыми перегородками. Зона поглотителя СO также разделена на три камеры воздухопроницаемыми перегородками для увеличения поверхности контакта углекислого газа с поглотителем. В стенке воздухозаборной камеры выполнено отверстие для подсоса атмосферного воздуха. Дыхательный тренажер (RU 2392010, 2010) содержит корпус, полумаску с мягким эластичным обтюратором, снабженную лямками с регулированием их натяжения на голове, съемный гофрированный шланг с элементами крепления; дыхательную емкость, которая имеет отверстие под съемную заглушку для поступления атмосферного воздуха и отбора газовой смеси на анализ. Необходимо отметить, что отсутствие контроля содержания О и СО в дыхательной емкости не позволяет определять и регулировать состав вдыхаемой смеси и количество подаваемого в емкость атмосферного воздуха.
Что касается изучения изобретений на устройства для получения и применения гипероксических смесей, то они предназначены исключительно для медицинских целей, в частности для лечения дыхательных органов пациента. Поэтому их конструкции не вызывали интереса для нашего нового технического решения. Для иллюстрации приводим патенты: DE 2541300 на установку для всасывания и скоростной подачи лечебных газов в составе дыхательной смеси, GB 1583273 на легочный вентилятор, ЕР 0434917, конв. приор. DE 3938889, на лечебную камеру для проведения крио- или термотерапии с подачей обогащенного кислородом воздуха.
Защищенное патентом RU 2121854 с приоритетом 06.06.1994 устройство для получения гипокси- и гипероксических воздушных смесей и комплексного попеременного (интервального) воздействия их на организм человека впервые разработано специалистами российской фирмы «Климби» в начале 90-х годов. Устройство для комплексной оксигено- и гипокситерапии применяют для профилактики и лечения респираторных и метаболических нарушений, а также для тренировки спортсменов. Устройство содержит последовательно подключенные компрессор, мембранный модуль газоразделения на гипокси- и гипероксические смеси, регулирующий вентиль, связанный с датчиком расхода. Выходы модуля соединены с выходными патрубками устройства, один - непосредственно для гипероксической смеси, другой - через вентиль и датчик расхода потока для гипоксической. Устройство снабжено блоком управления, выходы которого соединены с управляющим вентилем и выходами переключателя (распределителя) потока, который введен в респираторный узел. Гипоксикатор размещен в корпусе, имеющем входной и два выходных патрубка, первый сообщен с воздухозаборником компрессора, а выходные соединены с респираторным узлом, с одной стороны, и с датчиком расхода - с другой. В изобретении представлен и второй вариант устройства, дополненного вакуумным компрессором, еще одним модулем газоразделения и воздухозаборником. Именно этот вариант, как недостаток из-за габаритов и веса устройства, а также увеличения себестоимости, был подвергнут критике со стороны авторов последующих патентов RU 2365384 и RU 2385742 с приоритетом соответственно 08.02.2008 и 21.01.2008. Заявки на эти патенты были поданы через 10 лет после выдачи патента фирме «Климби». Изобретения относятся к медицинской технике и могут быть использованы для повышения устойчивости организма при патологическом состоянии, например, для лечения респираторных и метаболических нарушений, увеличения компенсаторных возможностей спортсменов. Более конкретно, для сокращения времени лечения или тренировки под действием гипоксической смеси. Предложенные устройства имеют одинаковый узел, генерирующий гипокси- и гиперокси- смеси, который содержит последовательно соединенные компрессор, мембранный модуль для разделения воздуха, снабженный двумя выходами, соединенными со входами двухпозиционного распределительного устройства, один через эжектор, другой через регулирующий вентиль. Распределительное устройство имеет два выхода: к одному из них присоединена пневмомагистраль, ведущая к респираторному узлу, второй сообщен с атмосферой. Устройство соединено с блоком управления, с помощью которого осуществляется контроль концентрации кислорода в гипоксичесой смеси (по датчику кислорода) и ее изменение посредством регулирующего вентиля. В устройстве, описанном в патенте RU 2365384, который выбран нами как ближайший аналог, дополнительно к электронному блоку управления подключен датчик насыщения гемоглобина крови кислородом и измерения частоты пульса пациента, на основании показаний которого по заданной программе осуществляется переключение потоков гипоксия-гипероксия. Следует отметить, что указанный нижний предел - 1 об. % концентрации кислорода в гипоксической смеси, недопустим для дыхания человека. Он не должен быть ниже 7-9 об. %. Поскольку стиль описания элементов конструкции часто рекомендательный и предположительный, можно сделать вывод, что устройство находилось в процессе проектирования и не было готово к использованию. Дополнительно можно отметить следующие недостатки в конструктивном оформлении устройства: двухпозиционный распределитель газовых потоков не позволяет без снятия маски выполнять интервальные процедуры «гипоксия-нормоксия». Отсутствие в респираторном контуре автоматически открывающегося клапана для дыхания воздухом небезопасно для пациента в случае аварийного отключения аппарата.
Задача нашего изобретения - создание надежного и безопасного для пользователя устройства с целью проведения тренировок различными воздушными смесями: гипоксической, гипероксической и нормоксической без снятия маски в любой последовательности.
Поставленная задача решена тем, что нами разработано устройство для получения гипокси-, гиперокси- и нормоксических дыхательных смесей с целью интервальной комплексной нормобарической тренировки.
Основная часть конструкции устройства размещена в корпусе, который имеет входное воздухозаборное и выходное отверстия и снабжен выходным патрубком для присоединения респираторного узла и четырьмя разъемами, одним для внешнего блока управления, остальными для датчиков состояния пациента. Устройство содержит (см. фиг. 1) вентилятор, компрессор (2), на входе в который установлен фильтр (1), а на выходе - ресивер (3) для гашения пульсации поршневого компрессора и мембранный модуль (4), для разделения воздуха на гипоксическую и гипероксическую смеси. Гипоксическая линия через регулируемый вентиль (5) и датчик расхода потока (6) и содержания кислорода (7), а гипероксическая непосредственно соединены с входами трехпозиционного распределителя (8). Трехпозиционный распределитель потоков имеет три выхода, два предназначены для их сброса, а третий - для интервальной подачи каждого из трех потоков через выходной патрубок корпуса и респираторный узел в дыхательную маску. Микропроцессорный контроллер (9) также размещен в корпусе и предназначен для включения и выключения компрессора, управления работой распределителя потоков (8), вентиля (5), светодиодом подсветки дыхательного трубопровода/ получения данных с датчиков расхода потока (6), содержания кислорода (7) и состояния пользователя (10, 11, 12), а также для двустороннего обмена информацией с внешним блоком управления. Датчики состояния пользователя: пульсоксиметр (10) для определения насыщения гемоглобина крови кислородом и частоты пульса, НИАД (неинвазивное измерение артериального давления) (11) и ЭКГ (12), которые позволяют в достаточном объеме оценить состояние пациента, рассчитать изменения параметров гемодинамики и другие показатели.
Внешний блок управления (специальная панель, компьютер, планшет, смартфон) подключенный к микропроцессорному контроллеру, содержит специальную программу, с помощью которой обрабатываются данные с датчиков состояния пациента и определяются параметры проведения тренировки, такие как концентрация кислорода в гипоксической смеси, длительность и порядок интервалов (гипоксия, нормоксия, гипероксия) или выбираются показатели, по которым изменяется концентрация кислорода и тип потока, на основании которых происходит их переключение. На экране блока отображаются все необходимые параметры и ход процедуры.
На фиг. 2 изображена схема респираторного узла, который содержит входной патрубок (13) с размещенным на нем аварийным клапаном (14), дыхательный мешок (15), обратные клапаны (16, 17) и лицевую маску (18). Для удобства пользователя дыхательный мешок можно присоединять как к входному патрубку, так и к маске через обратный клапан.
Работа устройства в действии представлена ниже.
Компрессор (2) через фильтр (1) подает воздух под давлением в ресивер (3), откуда он поступает в модуль (4), где разделяется на гипокси- и гипероксисмесь. Гипероксическая смесь напрямую, а гипоксическая через вентиль (5), датчики расхода потока (6) и содержания кислорода (7) вводятся в распределитель (8), который попеременно в первой позиции направляет на выход из аппарата гипоксическую, во второй - гипероксическую, а в третьей смешивает гипоксический и гипероксический потоки с образованием нормоксической смеси, и каждая из смесей периодически поступает в респираторный узел и маску. Экспериментально установлено, что изменение расхода приводит к изменению содержания в нем кислорода, и концентрация кислорода находится в прямой зависимости от расхода, что дает возможность провести калибровку и составить таблицу соответствия концентрации кислорода величине расхода потока. Скорость реакции датчика кислорода на изменения его концентрации в анализируемой среде относительно невелика и составляет 30-60 сек. Скорость реакции датчика расхода - 60 мсек, что позволяет контроллеру стабильно поддерживать необходимую концентрацию кислорода (по данным калибровки) в пределах от 9 до 16 об. %. Гипероксическая смесь рассчитана на содержание кислорода в интервале 32-40 об. %. Далее дыхательная смесь из распределителя подается в респираторный узел. В зависимости от вида смеси светодиод изменяет цвет подсветки дыхательного трубопровода (19): красный - гипоксия, синий - гипероксия, зеленый - нормоксия. При подаче из аппарата любого газового потока в трубопроводе создается минимальное избыточное давление, которое запирает вход в клапан (14), часть потока выходит через клапаны (16 и 17) в атмосферу, а часть накапливается в дыхательном мешке (15). При вдохе клапан (17) закрывается и смесь из аппарата и дыхательного мешка направляется в маску. Давление выдыхаемой смеси закрывает клапан (16), и смесь выходит в атмосферу через клапан (17), а поступающая из аппарата смесь накапливается в дыхательном мешке. В случае аварийной остановки аппарата прекращается поступление потока в респираторный узел. Пользователь, делая вдох, создает разрежение в трубопроводе, которое открывает вход в аварийный клапан и дает доступ атмосферного воздуха в дыхательный узел. Для сборки респираторного узла применяют стандартные, используемые в системах наркоза и вентиляции легких, тройники, трубки и обратные клапаны, практически не создающие сопротивления свободному дыханию.
Преимущества предложенного устройства состоят в том, что
- установлен трехпозиционный распределитель для увеличения вариантов интервальных дыхательных тренировок без снятия маски;
- введен в дыхательный контур специальный клапан для обеспечения безопасности в случае аварийного отключения устройства;
- на гипоксической линии смонтированы датчики расхода потока и содержания кислорода, что с высокой точностью позволяет поддерживать заданную концентрацию кислорода в потоке, поскольку скорость реакции датчика расхода (время отклика) на 3 порядка выше, чем у датчика кислорода;
- введены блоки НИАД и ЭКГ в устройство для более полной оценки гемодинамики организма;
- организовано производство дыхательных тренажеров в стационарном и особенно в переносном варианте для проведения персональных тренировок;
- предусмотрена подсветка дыхательной трубки с изменением цвета для соответствующего потока с целью визуализации процесса тренировки.