ДЫХАТЕЛЬНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ТРЕНАЖЕР (ТРЕНАЖЕР КАЛИНИЧЕНКО) Российский патент 2008 года по МПК A61M16/00 

Изобретение относится к клинической, космической и подводной медицине и предназначается для использования при лечении больных хроническими обструктивными болезнями легких, гипертонической и ишемической болезнями, а также для тренировок и испытаний здоровых людей к условиям жизнедеятельности в атмосфере с повышенным содержанием углекислого газа и пониженным содержанием кислорода.

Аналогами изобретения являются дыхательный тренажер ТДИ-01 (Ингалятор Фролова) (1), а также капникатор Ненашева А.А., Мишустина Ю.Н. и Левкина С.Ф. (2).

Общими свойствами и задачами аналогов и предлагаемого тренажера являются создание методом возвратного дыхания гиперкапнического и гипоксического состава вдыхаемого воздуха, а тренажеров Фролова и дыхательного управляемого - сопротивление дыханию. Качественно эти задачи с помощью аналогов в какой-то мере решаются. Однако при дыхании в полуоткрытом контуре аналогов невозможно достичь необходимых для терапевтического или тренировочного эффектов повышения концентрации углекислого газа и понижения концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе. В полуоткрытом контуре вся эволюция газообмена происходит в течение одного дыхательного цикла без последовательного накопления изменений концентрации углекислого газа и кислорода.

Это видно на примере капнограммы, полученной при дыхании через тренажер Фролова (фиг.1). Динамика содержания углекислого газа в течение дыхательного цикла мало отличается от таковой при дыхании чистым воздухом (фиг.2). Измеренное содержание кислорода при дыхании через тренажер Фролова колеблется в пределах 16-19 объемных процентов.

Капникатор Ненашева А.А. и соавторов no-существу является вариантом тренажера Фролова. Оба эти аналога несомненно полезны как средства обучения различным дыхательным методикам, при которых терапевтический эффект достигается за счет ограничения вентиляции легких задержкой дыхания, что не физиологично и обременительно для пациентов. Аналогами не в полной мере используются потенциальные возможности терапии и тренировки дозированным изменением содержания углекислого газа и кислорода во вдыхаемом воздухе. Предлагаемым тренажером эти задачи решаются.

Сущность изобретения состоит в обеспечении в закрытом контуре возвратного дыхания задаваемых концентрации углекислого газа и сопряженного с ней уменьшения концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе при сохранении физиологичной структуры дыхательного акта.

Эта задача решается дозированным подмешиванием в процессе возвратного дыхания к вдыхаемому воздуху свежего воздуха через дюзу со сменными колпачками с диаметром отверстия 4, 3, 2, 1 мм или колпачком без отверстия. Динамическое равновесие на задаваемом уровне концентраций углекислого газа и кислорода обеспечивается подбором диаметра отверстия дюзы и величиной дыхательного объема. Уменьшение диаметра отверстия дюзы и дыхательного объема приводят к увеличению концентрации углекислого газа и уменьшению концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе и, наоборот, увеличение диаметра отверстия дюзы и объема дыхания обеспечивают большую долю подмешиваемого свежего воздуха и, соответственно, меньшую концентрацию углекислого газа и большую - кислорода. Таким образом, в тренажере может создаваться концентрация углекислого газа до 6 объемных процентов (45 мм рт.ст.) и уменьшение концентрации кислорода до 14 объемных процентов (105 мм рт.ст.).

Изменением высоты слоя водной суспензии активированного угля над уровнем отверстий колокола осуществляется дозированная нагрузка сопротивлением выдоху. При выдохе через водную суспензию активированного угля выдыхаемый воздух частично очищается от вредных примесей. В тренажере тракты вдоха и выдоха разъединены, что позволяет измерять концентрацию кислорода во вдыхаемом воздухе и углекислого газа в течение дыхательного цикла, капнограмму.

Биомеханика возвратного дыхания через тренажер состоит в следующем. Устанавливается исходный диаметр отверстия дюзы 4 мм. После глубокого свободного вдоха делается выдох через маску, клапанный тройник, выдыхательную трубку, отверстия колокола в смеситель и в дыхательный мешок. На последующем вдохе воздух из дыхательного мешка и смесителя проходит через вдыхательную трубку, ресивер, клапанный тройник и маску. Дыхательные циклы повторяются до установления динамического равновесия в смесителе концентраций кислорода и углекислого газа, которые определяются при прохождении воздуха через ресивер и датчик капнографа. Для определения концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе небольшое его количество отсасывается из ресивера в газоанализатор кислорода, а концентрация углекислого газа определяется непрерывно в течение дыхательных циклов (см. фиг.2). После установления динамического равновесия принимается решение о продолжении возвратного дыхания в этом режиме или о смене колпачка дюзы с меньшим диаметром отверстия для увеличения концентрации углекислого газа в смесителе и уменьшения концентрации кислорода. Таким образом, подбирается величина диаметра отверстия дюзы для проведения сеанса терапии или тренировки.

На фиг.3 представлена схема дыхательного управляемого тренажера, а на фиг.8 - его общий вид. Тренажер состоит из следующих деталей:

1 - смеситель выдыхаемого и примешиваемого свежего воздуха, изготовленный из емкости для сыпучих продуктов объемом 2,3 л;

2 - маска для наркоза или от другого дыхательного устройства;

3 - вдыхательная и 4 выдыхательная трубки, применяемые в гипоксикаторе "Эверест-I";

5 - клапанный тройник от дыхательной аппаратуры;

6 - колокол с 15 отверстиями диаметром 1,5 мм по периметру, изготовленный из цилиндра небулайзера;

7 - опорная трубка дыхательного мешка из одноразового шприца;

8 - дыхательный мешок от гипоксикатора "Эверест-I";

9 - ресивер из цилиндра небулайзера;

10 - датчик концентрации углекислого газа от капнографа;

11 - дозирующая дюза со сменяемыми колпачками с отверстиями в них диаметром 4, 3, 2, 1 мм и без отверстия, изготовлена из вентиля бескамерной шины автомобильного колеса;

12 - в смеситель наливается водная суспензия из 10 г аптечного активированного угля.

В зависимости от задач и особенностей используемых дыхательных методик объем смесителя и дыхательного мешка может изменяться. Так, в режиме испытаний переносимости гиперкапнии объем смесителя увеличивается до 5 л, а дыхательного мешка - до 10 л.

Составляющие тренажер детали соединены в единый функциональный комплекс таким образом, что в нем обеспечивается круговая циркуляция вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, возвратное дыхание, с дозируемым подмешиванием свежего воздуха, дозируемое сопротивление выдоху и очищение выдыхаемого воздуха от вредных примесей.

В таблицах (фиг.4, 6) представлены физиологические показатели при сеансах дыхания через тренажер двух мужчин-испытателей. Испытатель А., 70 лет, ишемическая болезнь сердца и головного мозга. Испытатель К., 75 лет, гипертоническая болезнь 1 ст. Оба испытателя предварительно прошли курс дыхания через тренажер. Для наглядности те же данные представлены и на графиках (фиг.5, 7). Испытатель А. в сеансе дышал через тренажер при диаметре отверстия дюзы 3 мм, а испытатель К. - 1,5 мм. Из представленных данных видно, что с уменьшением диаметра отверстия дюзы возрастает напряженность кардиореспираторной системы. Наиболее значимым является повышение концентрации углекислого газа на вдохе с уменьшением диаметра отверстия дюзы, а следовательно, и величины подмешиваемого свежего воздуха. Тем самым подтверждается возможность дозирования гиперкапнии. В меньшей степени изменилось содержание кислорода во вдыхаемом воздухе и оставалось практически стабильным на протяжении всего сеанса. Наблюдалось близкое к исходному насыщение артериальной крови кислородом. Такую динамику кислорода можно объяснить включением анаэробного дыхания, чего авторы тренажеров-аналогов добиваются ограничением вентиляции легких, волевой задержкой дыхания. Высокой степени оксигенации артериальной крови в легких способствует создаваемое в тренажере сопротивление дыханию на выдохе, так называемое управляемое дыхание (3). Например, по собственным наблюдениям, при подъеме в барокамере здоровых летчиков и космонавтов на "высоту" 5000 м насыщение артериальной крови кислородом у них снижается в среднем до 75-80%, а при применении приема управляемого дыхания увеличивается до 90-95%, что равнозначно спуску до "высоты" 2500 метров.

Поэтому из описанных особенностей динамики газообмена следует, что дозировать терапевтическую нагрузку по уровню насыщения гемоглобина крови кислородом (4) при дыхании через тренажер очевидно было бы некорректным. Более определенное значение имеет динамика концентраций углекислого газа в начале вдоха и в конце выдоха, что определяется по капнограмме.

Таким образом, с помощью тренажера можно получать требуемые для терапии или тренировки концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе и управлять терапевтическим или тренировочным процессом. Меньшее значение имеет гипоксия, хотя содержание кислорода во вдыхаемом из смесителя воздухе и снижается до 16-14 об.%. Как указывалось выше, управляемое дыхание способствует высокой артериализации крови в легких, а сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо в условиях гиперкапнии способствует облегчению перехода кислорода от оксигемоглобина в ткани. Такая особенность динамики кислорода, создаваемой тренажером, имеет положительное значение для лечения чувствительных к гипоксии больных, например, ишемической болезнью сердца и головного мозга. Это же свойство тренажера делает возможным проведение испытаний переносимости гиперкапнии с помощью предлагаемого тренажера здоровыми лицами, которым по роду профессиональной деятельности приходится работать в герметических объектах. Известно, что при нарушении работы системы жизнеобеспечения таких объектов ведущее значение для состояния работоспособности имеет гиперкапния.

Существенным положительным отличием тренажера является создание дозированной нагрузки гиперкапнией, гипоксией и сопротивлением дыханию при возможности сохранения физиологичной структуры дыхательного акта, более полное использование потенциальных возможностей терапии и тренировки факторами дыхания.

Оснащение тренажера газоанализаторами и средствами оперативного медицинского контроля, проведение клинических и биохимических исследований крови позволяют объективно управлять терапевтическим и тренировочным процессом. В упрощенном варианте, без газоанализа, тренажер (фиг.9) под патронажем лечащего врача может использоваться в домашних условиях.

На фиг.10 и 11 представлен пример испытания переносимости гиперкапнии. Испытатель Д., здоровый мужчина 25 лет, дышал при герметичности дыхательных трактов и объемов тренажера и выдержал нагрузку гиперкапнией в течение 8 минут. Концентрация углекислого газа практически линейно повышалась и достигла во вдыхаемом воздухе 47,6 мм рт.ст. (6,3%) и 65,3 мм рт.ст. (8,7%) - в выдыхаемом. Причем разность между этими концентрациями с первой минуты экспозиции до восьмой уменьшилась с 29.1 до 17,7 мм рт.ст., что можно расценивать как показатель хорошего состояния буферных систем газообмена и, соответственно, хорошей переносимости гиперкапнии. Насыщение артериальной крови кислородом в легких оставалась на хорошем уровне, 86% при снижении концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе до 10,5 об.%, что свидетельствует о ведущем значении гиперкапнии в данном режиме испытания с помощью тренажера.

Безопасность и эффективность тренажера проверены на добровольцах здоровых людях, а также больных бронхиальной астмой, гипертонической и ишемической болезнями с положительным результатом.

Дыхательный управляемый тренажер является техническим средством, с помощью которого могут реализовываться самые различные дыхательные методики терапии и тренировки.

Литература:

1. Фролов В.Ф., Кустов Е.Ф. Индивидуальный дыхательный тренажер "ТДИ-01" (тренажер Фролова). Патент России № 1790417 от 22.09.1992 года.

2. Ненашев А.А., Мишустин Ю.Н., Левкин С.Ф. Капникатор. Патент России № 21737334 от 27.12.2001 года.

3. Малкин В.Б., Гиппенрейтер Е.Б. Острая и хроническая гипоксия. "Наука", М., 1977 г., с.72.

4. Калакутский Л.И., Поляков В.А. Аппаратура для терапии в условиях гиперкапнической гипоксии. Всероссийская научная конференция "Фармакотерапия гипоксии и ее последствий при критических состояниях", октябрь 2004 г. Санкт-Петербург.

Дыхательный управляемый тренажер позволяет создавать методом возвратного дыхания во внешнем закрытом контуре необходимые для терапевтического и тренировочного эффекта концентрации углекислого газа (гиперкапнии) и кислорода (гипоксии), а также сопротивление дыханию. Разделение трактов вдоха и выдоха и дозированное формирование необходимого состава вдыхаемого воздуха в смесителе изменением диаметра отверстия дюзы позволяет создать терапевтическую или тренировочную нагрузку внешними факторами дыхания при сохранении физиологичной структуры дыхательного акта. Оснащение тренажера датчиками измерения концентраций углекислого газа и кислорода позволяет объективно управлять терапевтическим и тренировочным процессом. 11 ил.

Дыхательный управляемый тренажер, содержащий контур возвратного дыхания с трактами вдоха и выдоха, включающий маску, клапанный тройник, трубки для вдоха и выдоха, смеситель выдыхаемого и подмешиваемого свежего воздуха, отличающийся тем, что тракты входа и выдоха разделены, причем тракт выдоха последовательно содержит маску, клапанный тройник, трубку для выдоха, смеситель с водной суспензией активированного угля и колоколом с отверстиями, дыхательный мешок с опорной трубкой, а тракт вдоха последовательно содержит дыхательный мешок с опорной трубкой, смеситель, трубку для вдоха с ресивером, соединенным с газоанализатором, клапанный тройник, датчик углекислого газа и маску, при этом тренажер содержит дюзу с изменяемым диаметром отверстия.