ПОРТАТИВНЫЙ СИМУЛЯТОР ВЫСОТЫ

Полезная модель относится к области индивидуальных дыхательных устройств человека, в том числе к портативным симуляторам высоты [A62B 7/10, A62B 7/04, A62B 7/10, А62B9/00, A62B 23/00, A63B 69/00, A63B23/00, А61М16/00].
Симуляторы высоты применяются в интервальной нормобарической гипоксотерапии или оротерапии. Применение гипоксикаторов в спортивных тренировках повышают выносливость, силу и сердечно-сосудистую подготовку.
Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ ДЫХАНИЯ, МОНИТОРИНГА И/ИЛИ ПОМОЩИ [WO 2017071879 A1, опубл.: 04.05.2017 г.], выполненная содержащее: корпус, определяющий мундштук; датчик для определения характеристик дыхания пользователя; выходной индикатор для предоставления выходной информации о дыхательной тренировке/упражнении; а также систему контроля давления для обеспечения контроля давления во время выдоха, чтобы обеспечить помощь дыханию в виде положительного давления в конце выдоха.
Недостатком данного аналогаявляется осуществление тренировок по технике «поджатых губ», которая ограничена созданием, например, давления только 382 Па.
Известны МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ТРЕНИРОВКИ ГИПОКСИИ [AU 2014101478 A4, опубл.: 17.12.2014 г.], содержащие персональный компьютер, подключенный к управляемому гипоксикатору. Гипоксикатор использует технологию мембранного разделения для подачи гипоксического и гипероксического воздуха к субъекту через лицевую маску. Персональный компьютер содержит программное обеспечение и выполнен с возможностью действовать в качестве драйвера, а также давать команду гипоксикатору генерировать воздух с требуемой концентрацией кислорода. Персональный компьютер дополнительно содержит алгоритм, исполняемый ЦП. Алгоритм получает (через ЦП) данные, вводимые от пульсоксиметра, и преобразует данные пульсоксиметра в инструкции (в соответствии с правилами алгоритма), передаваемые инструкции к гипоксикатору. В ответ на инструкции гипоксикатор изменяет концентрацию кислорода в воздухе, подаваемом пользователю. Таким образом, из вышеизложенного видно, что замкнутый контур обратной связи описан стрелками, при этом вариабельность частоты сердечных сокращений субъекта определяет концентрацию кислорода в воздухе, генерируемом гипоксикатором. Воздух вводят субъекту, при этом вдыхание этого воздуха может изменить вариабельность сердечного ритма субъекта.
Также из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИПОКСИЧЕСКОЙ, ГИПЕРОКСИЧЕСКОЙ И НОРМОКСИЧЕСКОЙ ДЫХАТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ И ИНТЕРВАЛЬНОЙ КОМПЛЕКСНОЙ НОРМОБАРИЧЕСКОЙ ТРЕНИРОВКИ [RU 2650205, опубл.: 11.04.2018 г.], которое имеет вентилятор, компрессор, на входе в который установлен фильтр, а на выходе - ресивер для гашения пульсации поршневого компрессора и мембранный модуль, для разделения воздуха на гипоксическую и гипероксическую смеси. Гипоксическая линия через регулируемый вентиль и датчик расхода потока и содержания кислорода, а гипероксическая непосредственно соединены с входами трехпозиционного распределителя. 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 также размещен в корпусе и предназначен для включения и выключения компрессора, управления работой распределителя потоков, вентиля, светодиодом подсветки дыхательного трубопровода для получения данных с датчиков расхода потока, содержания кислорода и состояния пользователя, а также для двустороннего обмена информацией с внешним блоком управления. Датчики состояния пользователя: пульсоксиметр для определения насыщения гемоглобина крови кислородом и частоты пульса, НИАД (неинвазивное измерение артериального давления) и ЭКГ, которые позволяют в достаточном объеме оценить состояние пациента, рассчитать изменения параметров гемодинамики и другие показатели.
Также из уровня техники известныСПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И ПОДАЧИ ГИПОКСИЧЕСКОЙ И ГИПЕРКАПНИЧЕСКИ-ГИПЕРОКСИЧЕСКОЙ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛЕЧЕБНЫХ ПРОЦЕДУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ [RU 2625594, опубл.: 17.07.2017 г.], состоящее из корпуса, в котором располагается компрессор, мембранный модуль, выполненный на основе полых газоразделительных полимерных волокон, изготовленных из высокоселективного полиимида со структурной формулой, приведенной выше в тексте настоящего описания изобретения, теплообменников, вентиляторов для общего охлаждения устройства, газоанализаторов и для определения концентрации соответственно кислорода и углекислого газа, клапанов и запорной арматуры для регулирования слива конденсата, соединенных в определенном порядке с составляющими элементами аппарата быстросъемными пластиковыми шлангами, двух навесных ресиверов оболочечного типа соответственно под гипоксические и гипероксические смеси, пульсоксиметра с датчиком для крепления на пальце пациента, комплекта дыхательной маски с воздуховодами и системы автоматического управления  выводом всей информации на компьютер. Система управления по датчику углекислого газа посредством изменения проходимого сечения диафрагмы, вмонтированной в трубопровод выдыхаемого воздуха, позволяет поддерживать концентрацию углекислого газа в гипероксической смеси в заданном интервале. Вентилем тонкой регулировки устанавливается необходимая концентрация кислорода в гипоксической смеси.
Также из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОКСИГЕНО- И ГИПОКСИТЕРАПИИ (ВАРИАНТЫ) [RU 2121854, опубл.: 20.11.1998 г.], содержащее источник давления и датчик расхода, снабжено последовательно подключенными компрессором, используемым в качестве источника давления, модулем газоразделения и вентилем, последовательно соединенным с датчиком расхода, модуль газоразделения снабжен пакетом газоразделительных мембран с возможностью получения на его выходах гипоксической и гипероксической смесей, при этом выходы модуля газоразделения соединены с выходными патрубками устройства, один - непосредственно, с другой - через вентиль и датчик расхода.
Общими недостаткамивышеприведенных аналогов являются высокая сложность устройства и размеры.
Известен ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ [GB 2562705 A, опубл.: 28.11.2018 г.], который включает отфильтрованный диоксид углерода выдыхаемого газа и окружающего воздуха. Устройство имеет трубку, камеру секвестрации углекислого газа и газовый резервуар. Трубка обеспечивает жидкостное сообщение между пользователем и секвестрационной камерой, которая, в свою очередь, сообщается по текучей среде с резервуаром. Отверстие в резервуар обеспечивает жидкостное сообщение с окружающим воздухом. В резервуаре может отсутствовать пена с открытыми порами. Отклоняющие поверхности могут находиться в резервуаре, который может образовывать лабиринт. Объем резервуара может быть регулируемым или телескопическим. Размер или количество отверстий можно регулировать. Секвестрирующая камера может представлять собой сменный картридж, меняющий цвет при достижении насыщения.
Также из уровня техники известен ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ТРЕНАЖЕР "БУДЬ ЗДОРОВ" [RU 175305 U1, опубл.: 28.11.2018 г.], включающий цельную воздухозаборную камеру из прозрачного материала, с метками и отверстиями для подсоса атмосферного воздуха и выхода отработанной газовой смеси; эластичный дыхательный резервуар с горловиной цилиндрической формы; эластичное обжимное кольцо; воздухопроницаемую перегородку; коробку с воздухопроницаемым дном и крышкой, заполненную сильвинитом с фракцией от 3 мм до 3,5 мм; эластичное фиксирующее кольцо; шланг; маску без клапанов вдоха, выдоха.
Недостатками данных аналогов являются скапливающий влагу фильтр, что влечет за собой излишнюю влажность воздуха, отсутствие датчика частоты дыхания и датчика контроля концентрации кислорода на вдохе, что в итоге затрудняет использование устройства и снижает его эффективность.
Наиболее близкой по технической сущности является ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ [US 20020170561 A1, опубл.: 21.11.2002 г.], включающий мундштук и зону удаления диоксида углерода, расположенную между мундштуком и камерой резервуара для воздуха. Камера предпочтительно заполнена вспененным материалом и, кроме того, сообщается с окружающим воздухом, чтобы обеспечить смешивание с выдыхаемым воздухом внутри камеры. Дыхательный аппарат полезен для имитации более низкого парциального давления кислорода на большой высоте, поэтому он может использоваться спортсменами для имитации «жизни на высоте». Устройство в первой форме имеет форму канистры с открытым концом со съемной крышкой, установленной на открытом конце. Это может быть завинчивающийся колпачок, хотя очевидно, что могут использоваться и другие средства крепления, такие как защелкивание, посадка с натягом и т. д. Мундштук, имеющий открытый или выпускной конец, расположен в углублении верхней части. В альтернативной конструкции (описанной ниже) гибкий шланг или другой трубопровод может быть присоединен любым подходящим средством (включая простое вставное крепление) к выходному концу мундштука. Другой конец шланга будет иметь мундштук, который может входить в рот и/или нос пользователя или вокруг них. Мундштук сообщается через канал, образованный дыхательной трубкой, с камерой, образованной внутренней частью контейнера. Камера фактически разделена на первую часть камеры и вторую часть камеры. Эта вторая часть камеры, как будет показано ниже, эффективно действует как резервуар для смеси выдыхаемого воздуха и окружающего воздуха. В первой части камеры расположен материал очистки от диоксида углерода. Камерная часть сообщается через перегородку с камерной частью. Перегородка предпочтительно имеет множество отверстий или проходов, через которые может проходить воздух. В удобном случае перегородка может быть образована вспененным материалом или сеткой. Однако в некоторых случаях эта перегородка может не потребоваться. Имитируемая высота регулируется. Это достигается за счет регулирования эффективного объема окружающего воздуха, добавляемого к выдыхаемому воздуху во второй части камеры. Эта часть камеры эффективно действует как резервуар и смесительная камера, в которой окружающий или новый воздух может смешиваться с выдыхаемым воздухом. Таким образом, в стенке контейнера предусмотрено впускное устройство, так что воздух может поступать в камеру для смешивания с выдыхаемым воздухом уже внутри камеры, при этом смесь выдыхаемого и окружающего воздуха затем может быть отведена назад посредством удаления двуокиси углерода. В предпочтительном варианте изобретения вторая часть камеры снабжена вспененным материалом для регулирования воздушного потока через устройство. Для простоты конструкции перегородка может быть опущена, а скребковый материал просто опирается на вспененный материал. В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения предусмотрены средства регулировки, с помощью которых можно регулировать имитируемую высоту, это может быть достигнуто путем регулировки «высотомера» (и, следовательно, соответствующего впускного/выпускного отверстия) вверх и вниз в различные положения. В результате объем удерживаемого всасываемого воздуха по отношению к поступающему окружающему воздуху может увеличиваться по мере увеличения моделируемой высоты. Это достигается за счет того, что количество воздуха внутри пенопласта ниже уровня впускного/выпускного отверстия не будет сильно смешиваться. Высотомер можно перемещать вверх и вниз в желаемое положение с помощью доступной снаружи кнопки оператора, ручки или т.п., которая скользяще входит в продолговатый, выровненный в продольном направлении паз. Впускное/выпускное отверстие для воздуха (для обеспечения выпуска воздуха из и поступления окружающего воздуха в смесительную камеру) может представлять собой отверстие, которое перемещается вместе с ручкой, так что оно всегда сообщается с камерой в различных положениях, зависящих от положения ручка. В качестве альтернативы в стенке канистры может быть предусмотрен ряд отверстий (показанных пунктиром). Каждое из этих отверстий должно быть закрыто съемной заглушкой. Затем пользователь должен удалить заглушку из отверстия рядом с маркировкой высоты, указывающей имитируемую высоту. Так, например, для имитации высоты 3000 метров заглушка должна быть удалена из отверстия рядом с индикатором 3000 метров. Специалистам в данной области техники будут очевидны другие способы регулирования объема смесительной камеры и одновременного обеспечения впуска окружающего воздуха в камеру. Эффективный объем регулируется добавлением или удалением поролоновых фильтров или, что предпочтительнее, установкой дополнительных модулей (за счет посадки с натягом в зонах). Таким образом, дополнительные модули сделают все устройство длиннее, чем показано. Увеличение количества модулей последовательно увеличивает имитируемую высоту, так как расстояние (через пену) между мундштуком и впускным/выпускным отверстием увеличивается. В соответствии с предпочтительной формой изобретения, чтобы устройство было легко переносимым, общий объем канистры может составлять до 5000 мл, хотя более конкретно между 500 и 2000 мл. Количество скрубберного материала с диоксидом углерода может составлять порядка 100-500 г при использовании натронной извести. Можно использовать чистящие средства, отличные от натронной извести. В другом устройстве устройство меньшего размера может быть снабжено камерой меньшего размера, имеющей материал, поглощающий двуокись углерода. В зависимости от плотности пены размер камеры также может быть уменьшен. Предпочтительная спецификация пены 23105. Плотность этой пены 23 кг/м 3 с коэффициентом жесткости 105Н.
Основной технической проблемой прототипа является скапливающий влагу фильтр, что влечет за собой излишнюю влажность воздуха, отсутствие датчика частоты дыхания и датчика контроля концентрации кислорода на вдохе, что в итоге затрудняет использование устройства и снижает его эффективность.
Задачами полезной модели является устранение недостатком прототипа.
Технический результат заключается в повышении эффективности и удобства использования устройства для имитации низкого парциального давления кислорода большой высоты.
2
2
2
2
Портативный гипоксикатор, содержащий сосуд цилиндрической формы, разделенный первой и второй воздухопроницаемыми перегородками на промежуточную камеру, картридж с гранулами и симулятор высоты, выполненный в виде стакана, содержащего плотные мембраны, разъемно соединенные между собой, при этом к промежуточной камере смонтирована дыхательная трубка с насадкой, отличающийся тем, что дыхательная трубка содержит тепловлагообменник, выполненный из гигроскопического гидрофобного фильтрующего материала, предотвращающего образование конденсата в дыхательной трубке, и дополнительно содержит первый коннектор для подключения анализатора частоты дыхания и второй коннектор для подключения анализатора концентрации кислорода, картридж заполнен гранулами, изменяющими свой цвет при поглощении CO и НО, и выполнен прозрачным с возможностью контроля поглощения CO и НО.
В частности, сосуд выполнен разборным в местах воздухопроницаемых перегородок.
В частности, дыхательная трубка может быть выполнена единой конструкцией или раздельной конструкцией для вдоха и для выдоха.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан общий вид портативного гипоксикатора с однотрубчатым клапаном.
На фиг.2 показан общий вид портативного гипоксикатора с двойным клапаном вдох/выдох.
На фигурах обозначено: 1 - сосуд, 2 - первая воздухопроницаемая перегородка, 3 - вторая воздухопроницаемая перегородка, 4 - промежуточная камера, 5 - картридж, 6 - симулятор высоты, 7 - соединительный элемент, 8 - дыхательная трубка, 9 - насадка, 10 - тепловлагообменник, 11 - первый коннектор, 12 - второй коннектор, 13 - гранулы, 14 - мембраны.
Осуществление полезной модели.
2
Портативный гипоксикатор представляет собой цилиндрической формы сосуд 1, имеющий разборную конструкцию в местах воздухопроницаемых перегородок 2 и 3 и состоящий из промежуточной камеры 4, картриджа 5 и симулятора высоты 6, разъемно соединенных между собой. К промежуточной камере 4, выполненной в виде отсека для воздуха, через соединительный элемент 7 крепится дыхательная трубка 8, которая может быть выполнена единой конструкцией (см. фиг.1) или раздельной конструкцией (см. фиг.2), с насадкой 9 в виде мундштука, загубника или маски для лица. Дыхательная трубка 8 с раздельной конструкцией для вдоха и для выдоха (см. фиг.2) выполняется следующим образом: со стороны насадки 9 конструкция для вдоха и для выдоха соединяются в единую дыхательную трубку 8, а со стороны сосуда 1 трубки для вдоха (правая часть дыхательной трубки 8 на фиг.2) и для выдоха (левая часть дыхательной трубки 8 на фиг.2) отдельно крепятся к соединительному элементу 7. Данный вариант подключения дыхательной трубки 8 выполняется, если есть необходимость использовать длинные дыхательные трубки, так как исключается «мертвое» пространство и вдыхаемый воздух не содержит СО.
Дыхательная трубка 8 содержит тепловлагообменник 10, который может быть сделан на основе гигроскопического или гидрофобного фильтрующего материала (целлюлозный элемент), предотвращающего образование конденсата в дыхательной трубке 8 и поддерживающего комфортные характеристики воздуха (увлажнение).
Первый коннектор 11 выполнен для анализатора частоты дыхания, который обеспечивает регистрацию частоты дыхательных движений пользователя на основе измерения разности температур вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. В качестве чувствительного элемента используется термистор, помещаемый в дыхательную трубку 8 через первый коннектор 11 для определения разности температур между вдыхаемым холодным и выдыхаемым теплым воздухом. Контроль частоты дыхания важен для проведения спокойного вдоха и выдоха в пределах нормы от 16 до 20 в минуту для поддержания оптимального эффекта тренировки.
Первый коннектор 12 предназначен для портативного анализатора, служащего для непрерывного автоматического измерения и цифровой индикации объемной доли кислорода, парциального давления кислорода. Для наиболее результативной работы прибор обладает высокой чувствительностью, дисплеем с подсветкой визуальной и/или звуковой сигнализацией, оповещающей об уменьшении значения объемной доли ниже двух заданных уровней. Позволяет контролировать уровень концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе во время тренировки.
2
2
2
2
2
Картридж 5 выполнен как прозрачная колба, которая содержит 200-400 грамм адсорбента СО (натронной извести) в виде гранул 13 (пористых цилиндров размером 2,5-5,0 мм), поглощающих из воздуха СО и влагу в течение не менее 3 часов тренировки. Гранулы 13 в своем составе содержат: гидроксид натрия, гидроксид кальция, этиловый фиолетовый (возможны варианты), вода. Гранулы 13 обеспечивают поток свежего воздуха не менее 2 л/мин. Цветоиндикация гранул 13 обусловлена включением в их состав гидроксида натрия/кальция, воду, индикатор - этиловый фиолетовый или другой (возможны варианты). В процессе использования фиолетовый (другой) цвет начинает проявляться и увеличивать свою интенсивность при поглощении гранулами 13 CO и НО. Если в ходе тренировки гранулы 13 окрашиваются в фиолетовый цвет, значит необходимо заменить картридж 5 с адсорбентом СО.
3
Симулятор высоты 6 выполнен в виде стакана и содержит плотные мембраны 14, например, из пенополиуретана. В ячейках мембран находится воздух, который задерживается при вдохе и смешивается при выдохе с выдыхаемым воздухом. Плотность пенополиуретана - 19±0,5 кг/м. Имитация высоты происходит за счет увеличения количества пористых мембран 14 в стакане. Одна мембрана 14 соответствует подъему на высоту от 700-750 метров, две мембраны, соответственно, более 1400-1500 метров. Увеличивая количество стаканов симулятора высоты 6 до 4 штук, (соответственно количество мембран 14 - 8 штук), может воспроизвести имитацию подъема на высоту около 6000 метров. Мембраны 14 можно менять по мере их выхода из строя (деформация, загрязнения).
Портативный гипоксикатор используют следующим образом.
Перед началом сеанса пользователь проверяет настройку портативного гипоксикатора. Наличие гранул 13 в картридже 5 и необходимое количество мембран 14 в симуляторе высоты 6 для желаемой имитации подъема на высоту. Сборку сосуда 1 - соединение промежуточной камеры 4, картриджа 5, симулятор высоты 6 в местах первой 2 и второй 3 воздухопроницаемых перегородок. Крепление дыхательной трубки 8 к соединительному элементу 7, а самого соединительного элемента 7 к промежуточной камере 4. Подключение анализатора кислорода к первому коннектору 11, а анализатора частоты дыхания ко второму коннектору 12. Крепление насадки 9 в виде мундштука, загубника или маски для лица к дыхательной трубке 8.
Перед началом тренировки, пользователь занимает удобное положение, сидя, портативный гипоксикатор находит перед пользователем, на столе или в руках. Далее пользователь надевает насадку 9, если это  мундштук, то он захватывается губами, если это загубник, то он захватывается зубами пользователя, если это маска, то она надевается на лицо. Далее пользователь осуществляет вдох и выдох через портативный гипоксикатор. Как было описано выше, за счет количества мембран 14 осуществляется имитация необходимой высоты. В процессе осуществления тренировки следует следить за уровнем кислорода и частотой дыхания через анализаторы, которые подключены к первому 11 и второму 12 коннекторам. Тренировка длится 60 минут. Входе тренировки пользователь может наблюдать уровень использования гранул 13, если они приобретают насыщенный фиолетовый (другой) цвет, значит, картридж 5 нужно заменить.
Портативный гипоксикатор подходит для пожилых, взрослых, детей. Количество сеансов и их продолжительность зависит от состояния здоровья и от возраста пациента.
За счет компактности, возможно, проводить тренировки, как в медицинских учреждениях, так и в домашних условиях.
Автором полезной модели в 2021 году был изготовлен, в соответствии с приведенным описанием, образец портативного гипоксикатора. Изготовленный образец портативного гипоксикатора был опробован для подтверждения заявленного технического результата путем проведения двух однотипных экспериментов, в которых в качестве пользователей участвовали добровольцы:
- первый вариант: использование аналога;
- второй вариант: использование заявляемой полезной модели.
2
2
Результаты проведенных экспериментов показали, что при использовании аналога было ощутимо скапливание конденсата в дыхательной трубке 8, что влекло за собой излишнюю влажность воздуха. Наличие первого 11 и второго 12 коннекторов в заявляемой полезной модели дало возможность подключения анализаторов частоты дыхания и датчика контроля концентрации кислорода на вдохе, что в сравнении с аналогом, повысило эффективность использования портативного гипоксикатора. Реализация картриджа 5 в виде прозрачной колбы, в отличие от аналога, дала возможность быстрого определения истощения способности гранул 13 поглощать CO и НО.
Таким образом, проведенные эксперименты доказали достижение заявленного технического результата - повышение эффективности и удобства использования устройства для имитации низкого парциального давления кислорода большой высоты.