ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ТРЕНАЖЕР Российский патент 2023 года по МПК A61M16/00 A61M16/10 A61M16/22 A63B23/18 

Изобретение относится к области спортивной, превентивной и реабилитационной медицины, а именно к устройствам создания управляемой гипоксии и управляемой гиперкапнии для адаптации к гипоксии, высотной преакклиматизации, а также для гипоксически - гиперкапнической тренировки [A61M16/00; A62B9/02; A62B7/04; A63B23/18].

Из уровня техники известен ТРЕНАЖЕР ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ [RU2118542С1, опубл. 10.09.1998], содержащий внешний сосуд с отверстиями для сообщения с окружающей атмосферой и для дыхательной трубки, соединенной с внутренней камерой, имеющей отверстия в нижней части и помещенной в средний сосуд, выполненный с отверстием вверху для сообщения со средой внешнего сосуда, в тренажер введены средства для отделения доли используемого объема внешнего сосуда и средства для изменения величины площади проходного сечения отверстий в нижней части внутренней камеры.

Недостатком данного тренажера дыхательного индивидуального является отсутствие поглотителя углекислого газа и малый объем мертвого пространства промежуточной трубки (не более 1 литра), в результате чего данное устройство эффективно только при выполнении неглубоких дыхательных движений (до 1000-1500 мл), не создавая при этом управляемой тренирующей нагрузки путем снижения концентрации кислорода и эффективного контроля содержания углекислого газа во вдыхаемой воздушной смеси.

Известен ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ГИПОКСИЧЕСКОЙ ТРЕНИРОВКИ [RU168730U1, опубл. 17.02.2017], содержащий последовательно соединенные полумаску, шланг и смесительную камеру, создание гипоксически-гиперкапнической смеси происходит в смесительной камере, которая оснащена дыхательным отверстием, соединенным со шлангом, и, по крайней мере, одним отверстием с клапаном, регулирующим расход воздуха, через которое в камеру поступает свежий воздух.

Недостатком данного дыхательного тренажера для гипоксической тренировки является является отсутствие поглотителя углекислого газа и отсутствие осушителя, который бы позволял уменьшить влажность выдыхаемого воздуха.

Также известно ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ДЫХАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО УСТЬЯНЦЕВА-ВЕЛИЧКОВСКОГО [RU2336907C2, опубл. 27.10.2008], 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, при этом 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.

Недостатком данного дыхательного тренажера для гипоксической тренировки является отсутствие осушителя дыхательной смеси и поглотителя углекислого газа, которые бы позволяли уменьшить влажность выдыхаемого воздуха, и регулировать содержание углекислого газа в дыхательной смеси.

Известен ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГИПОКСИИ [RU2021825C1, опубл. 30.10.1994], содержащий средство подсоединения к пациенту, сообщенное с корпусом, на входе которого установлен регулируемый заборник атмосферного воздуха с фильтром и подпружиненным клапаном, а на выходе закреплена дыхательная емкость, с целью регулирования концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе, контроля его состава, уменьшения габаритов и массы аппарата, корпус выполнен цилиндрическим, его полость выполнена в виде камеры смешения, дополнительно снабженной патрубком входа, в полости которого установлены регулируемый заборник атмосферного воздуха, фильтр и клапан, мундштук для сообщения со средством для подсоединения к пациенту, выполненным в виде загубника, ниппелем и регулируемым дросселем, установленным на выходе корпуса и выполненным в виде сменной тарелки с рядом сквозных отверстий, а в донной части дыхательной емкости установлены дополнительно введенный жиклер и сборник конденсата.

Недостатком данного дыхательного аппарата для гипоксической тренировки является отсутствие осушителя дыхательной смеси и поглотителя углекислого газа, который бы позволяли уменьшить влажность выдыхаемого воздуха, а также контролировать гиперкапнию выдыхаемого воздуха, а наличие только лишь регулируемых отверстий, сообщающихся с окружающей средой без регулировки длины дыхательной трубки и изменения объема дыхательной емкости, не обеспечивает достаточное регулирование уровня углекислого газа и кислорода в дыхательном аппарате.

Наиболее близким по технической сущности является ГИПОКСИКАТОР [RU2167677C1, опубл. 27.05.2001], содержащий сообщенные между собой в единый канал вдоха-выдоха маску, поглотитель углекислого газа с выполненными в его верхней и нижней частях соответственно основными и регулирующими сквозными отверстиями для забора атмосферного воздуха, дыхательный мешок, фильтр с противовирусными и противобактериальными элементами, при этом основной и дополнительный фильтры установлены в поглотителе углекислого газа соответственно в верхней и нижней частях последнего таким образом, что поглощающее вещество размещено между ними, дыхательный мешок смонтирован с поглотителем углекислого газа посредством быстроразъемного соединения, регулирующие сквозные отверстия для забора атмосферного воздуха выполнены в стенке поглотителя углекислого газа между нижним фильтром и быстроразъемным соединением для крепления дыхательного мешка, при этом суммарная площадь проходного сечения регулирующих сквозных отверстий для забора атмосферного воздуха составляет 0,05 - 0,5 минимальной площади проходного сечения для сообщения поглотителя углекислого газа с дыхательным мешком.

Основной технической проблемой прототипа, содержащего емкость, дыхательные трубки, маску, поглотитель углекислого газа, регулирующие сквозные отверстия, дыхательный мешок, противовирусные и противобактериальные фильтры, является отсутствие средства для снижения влажности в циркулирующей дыхательной смеси, что существенно снижает его функциональные характеристики ограничивает его применимость, а также уменьшенный диаметр сквозных отверстий, которые не обеспечивают достаточный доступ кислорода из окружающей среды.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности управления содержанием углекислого газа и кислорода в дыхательном тренажере, увеличение степени осушки и охлаждения выдыхаемого воздуха, а также улучшение возможности использования дыхательного тренажера для адаптации к гипоксии и высотной преакклиматизации, а также для тренировки гипоксически - гиперкапнического дыхания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что дыхательный тренажер, содержащий емкость, трубку вдоха и трубку выдоха, образующие замкнутый контур, к месту соединения трубки вдоха и трубки выдоха одним концом подключена промежуточная трубка, к другому концу которой подключена маска, при этом к емкости прикреплен дыхательный мешок, выполненный с возможностью изменения его объема, внутри емкости установлен криогенный осушитель воздуха и поглотитель углекислого газа, при этом криогенный осушитель воздуха отделен от поглотителя углекислого газа газопроницаемой мембраной, промежуточная трубка выполнена с возможностью изменения ее длины, а замкнутый контур содержит регулируемое отверстие для связи с окружающей средой.

В частности, длина промежуточной трубки составляет 3-150 см, а диаметр 21-23 см.

В частности, дыхательный мешок имеет объем 3-5 л.

В частности, дыхательный мешок является одноразовым.

В частности, отверстие для связи с окружающей средой имеет регулируемый диаметр 1-6 мм.

В частности, трубка вдоха подключена к емкости через один или несколько противобактериальных и противовирусных фильтров.

В частности, внутренний диаметр трубки вдоха изменяется в диапазоне от 20 до 30 мм.

В частности, объем дыхательного мешка, диаметр отверстия, длина промежуточной трубки и диаметр трубки вдоха изменяется в зависимости от антропометрических характеристик и уровня подготовки человека.

Краткое описание чертежа.

На фиг. 1 представлен общий вид дыхательного тренажера.

На фигуре обозначены: 1 - маска; 2 - трубка выдоха; 3 - емкость; 4 - поглотитель углекислого газа; 5 - дыхательный мешок; 6 - мембрана; 7 - криогенный осушитель; 8 - фильтр; 9 - трубка вдоха; 10 - отверстие. 11 - промежуточная трубка.

Осуществление изобретения.

Дыхательный тренажер представляет собой замкнутую систему, состоящею из емкости 3, комплекта трубок и маски. В нижней части маски 1 расположено отверстие 10 для регулировки всасывания окружающего воздуха при вдохе, а также для выпуска избыточного воздуха при выдохе.

С помощью промежуточной трубки 11 и соединителя с размещенными внутри односторонними клапанами маска 1 соединена с трубкой вдоха 9 и трубкой выдоха 2. В верхней части в емкость 3 вставлена трубка выдоха 2, а в нижней части емкости 3 вставлена трубка вдоха 9. Емкость 3 дыхательного тренажера сверху накрыта съемным дыхательным мешком 5. Внутри емкости 3 размещен насыпной химический поглотитель углекислого газа 4, закрытый газопроницаемой мембраной 6, на которую помещен сменный криогенный осушитель 7. Емкость 1 соединена с трубкой вдоха 9 через пылебактериальный фильтр 8.

Дыхательный тренажер используется следующим образом.

Процесс адаптации и тренировки происходит путем регулярных сессий дыхания в замкнутом контуре дыхательного тренажера. Физиологически гипоксический и гиперкапнический, насыщенный влагой выдыхаемый воздух из маски 1 поступает в трубку выдоха 2 с односторонним клапаном и далее подается в емкость 3, содержащую химический поглотитель углекислого газа 4. При выдохе влажный гипоксический и гиперкапнический воздух заполняет одноразовый дыхательный мешок 5 и контактирует с криогенным осушителем 7, при этом пары воды конденсируются и замерзают на холодной поверхности осушителя 7.

Далее осушенный гиперкапнический и гипоксический воздух при вдохе проходит через газопроницаемую мембрану 6 и поглотитель углекислого газа 4. Затем вдыхаемый воздух с пониженным содержанием углекислого газа проходит через противобактериальный и противовирусный фильтр 8 и по трубке вдоха 9 с одноходовым клапаном подается к дыхательной маске 1.

В иных вариантах исполнения изобретения трубка вдоха может быть подключена к емкости через несколько противобактериальных и противовирусных фильтров.

Представленные варианты реализации заявленного технического решения позволяют достичь заявленный технический результат изобретения, поскольку обеспечивается более удобная возможность использования дыхательного тренажера для адаптации к гипоксии и высотной преакклиматизации, для тренировки гипоксически - гиперкапнического дыхания.

Дыхательный тренажер с замкнутым контуром имеет отверстие 10 регулируемого диаметра, позволяющее контролировать как всасывание окружающего воздуха при вдохе, так и выпуск избыточного воздуха при выдохе.

Регулирование уровня углекислого газа в рециркулирующей дыхательной смеси достигается изменением объема дополнительного мертвого пространства путем изменения длины сменной промежуточной трубки 11. Во время дыхания скорость снижения концентрации кислорода в дыхательном контуре тренажера можно регулировать, устанавливая начальный объем дыхательного мешка 5. Поддержание необходимого уровня кислорода в дыхательном тренажере можно регулировать изменением диаметра отверстия 10, сообщающегося с окружающим воздухом.

Дополнительно пользователь может контролировать целевой уровень насыщения гемоглобина крови кислородом вручную, контролируя показания пульсоксиметра. Также возможно использование системы биологической обратной связи, которая автоматически регулирует и поддерживает уровень насыщения гемоглобина кислородом по сигналу пульсоксиметра. В этом случае сигнал биологической обратной связи используется для управления диаметром отверстия 10, чтобы обеспечить регулирование уровня кислорода во вдыхаемом воздухе. Во процессе использования дыхательного тренажера объем дыхательного мешка 5, диаметр отверстия 10, длина промежуточной трубки 11 и диаметр трубки вдоха 9 изменяется в зависимости от антропометрических характеристик и уровня подготовки человека.

Пример использования изобретения.

Дыхательный тренажер предназначен для адаптивного и тренировочного воздействия гипоксически - гиперкапнического воздуха на дыхательную мускулатуру и в целом на организм человека.

В начале использования, перед первыми тренировками с дыхательным тренажером, необходимо произвести настройку тренажера таким образом, чтобы в процессе тренировки имели место минимальная гиперкапния, и оптимальные гипоксия и сопротивление вдоху-выдоху, для чего устанавливается максимальный объем дыхательного мешка (5 л), максимальный диаметр трубки вдоха (30 мм), максимальную величину диаметра отверстия для сообщения с окружающей средой (6 мм) и минимальную длину промежуточной трубки (3-5 см) с максимальным диаметром (23 см).

В альтернативных вариантах исполнения изобретения объем дыхательного мешка может составлять 3-5 л, диаметр трубки вдоха - 20 - 30 мм, диаметр отверстия для связи с окружающей средой - 1-6 мм, а длина промежуточной трубки может составлять 3 - 150 см с диаметром 21 - 23 см.

Представленные варианты реализации заявленного технического решения с разными вариантами объема дыхательного мешка, диаметра отверстия для связи с окружающей средой, а также длины и диаметра промежуточной трубки позволяют достичь заявленный технический результат изобретения, поскольку обеспечивается повышение эффективности управления содержанием углекислого газа и кислорода в дыхательном тренажере, а также улучшается удобство использования дыхательного тренажера для адаптации к гипоксии и высотной преакклиматизации, для тренировки гипоксически - гиперкапнического дыхания.

Проведены замеры начальных показателей сатурации гемоглобина в крови, частоты сердечных сокращений и общего уровня кровотока (микроциркуляции) через капилляры пальца (См. таблицу 1).

Пользователь начинает дыхание через дыхательный тренажер. При каждом выдохе выдыхаемая газовая смесь, имеющая пониженное содержание кислорода и повышенное содержание углекислого газа и влаги, поступая из легких спортсмена, через дыхательные трубки, поступает в емкость, из которой вытесняет имеющийся там первоначальный воздух через отверстие. При каждом вдохе в емкость, имеющий в себе среду с повышенным содержанием углекислого газа и пониженным содержанием кислорода, проникает атмосферный воздух через отверстие, несколько увеличивая содержание кислорода, при этом воздух с повышенным содержанием углекислого газа и пониженным содержанием кислорода поступает через криогенный осушитель и поглотитель углекислого газа и дыхательные трубки в легкие спортсмена.

С каждым циклом вдох-выдох через дыхательный тренажер содержание углекислого газа в среде для вдыхания увеличивается, а кислорода уменьшается. Примерно через 5-10 минут достигается предельная для данной величины используемого объема дыхательного мешка гиперкапния и гипоксия вдыхаемого воздуха, уровни которых сохраняются все оставшееся время тренировки, общая продолжительность которой должна составлять от 15 до 60 минут (См. таблицу 1).

Таблица 1
Изменения физиологических показателей
в процессе использования дыхательного тренажера Время тренировки Сатурация гемоглобина в % Частота сердечных сокращений в минуту Уровень микроциркуляции (PI) До тренировки 95 62 88 5 минут 84 63 130 10 минут 82 67 121 15 минут 98 70 88 20 минут 95 54 110

Полученные результаты изменения показателей в процессе использования дыхательного тренажера свидетельствуют о том, что тренировка способствовала адаптации пользователя к гипоксии и гиперкапнии, а также улучшению кровообращения.

В ходе развития адаптации необходимо увеличивать по мере роста тренированности дыхательной мускулатуры человека гиперкапнию, гипоксию среды для вдыхания и сопротивление вдоху-выдоху, для чего последовательно от тренировки к тренировке уменьшают объем дыхательного мешка, длину и диаметр промежуточной трубки, а также диаметр отверстия для сообщения с окружающей средой.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности управления содержанием углекислого газа и кислорода в дыхательном тренажере, увеличение степени осушки и охлаждения выдыхаемого воздуха, а также улучшении возможности использования дыхательного тренажера для адаптации к гипоксии и высотной преакклиматизации, для тренировки гипоксически - гиперкапнического дыхания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что дыхательный тренажер, содержащий емкость, трубку вдоха и трубку выдоха, образующие замкнутый контур, к месту соединения трубки вдоха и трубки выдоха одним концом подключена промежуточная трубка, к другому концу которой подключена маска, при этом к емкости прикреплен дыхательный мешок, выполненный с возможностью изменения его объема, внутри емкости установлен криогенный осушитель воздуха и поглотитель углекислого газа, при этом криогенный осушитель воздуха отделен от поглотителя углекислого газа мембраной, промежуточная трубка выполнена с возможностью изменения ее длины, а замкнутый контур содержит регулируемое отверстие для связи с окружающей средой.

Регулировка диаметра отверстия от 1 до 6 мм позволяет точно контролировать всасывание кислорода при вдохе. В аналогичных вариантах конструкций дыхательного тренажера диаметр отверстия составляет около 0,5 см, что не позволяет в полной мере использовать дыхательный тренажер для людей разного уровня адаптивной способности дыхательной мускулатуры.

Точное регулирование уровня углекислого газа в замкнутом контуре достигается изменением объема дополнительного мертвого пространства путем изменения длины сменной промежуточной трубки от 2 до 150 см. и ее диаметра от 21 до 23 мм, в то же время в аналогичных дыхательных тренажерах используется фиксированные длина и диаметр дыхательной трубки или трубка длиной до 15 см, которая обеспечивает повышение объемной доли углекислого газа только до 1%.

Сменная одноразовая конструкция дыхательного мешка и регулирование его объема (См. таблицу 2) от 3 до 5 л, а также регулируемый диаметр трубки вдоха от 20 - 30 мм, по сравнению с аналогичными конструкциями, также обеспечивают управление уровнем кислорода и углекислого газа в контуре дыхательного тренажера, позволяют использовать тренажер у людей с различными адаптивными резервами организма.

Таблица 2.
Изменение концентрации кислорода и углекислого газа в зависимости от объема дыхательного мешка Объем дыхательного мешка, мл Концентрация кислорода, % Концентрация углекислого газа, % 5000 21 0,05 4000 14 1 3500 11 5 3000 8 9

Использование криогенного осушителя в конструкции дыхательного тренажера позволяет быстро понизить температуру выдыхаемого воздуха, поступающего в дыхательный мешок, в результате чего увеличивается эффективность осушения выдыхаемого воздуха, что повышает эффективность связывания углекислого газа и уменьшается возможность роста вирусов и бактерий, для которых повышенная влажность является благоприятной средой накопления и распространения.

Таким образом, заявленное изобретение может обеспечить увеличение эффективности управления содержания углекислого газа и кислорода в дыхательном тренажере примерно в 2 раза, при этом обеспечивая во вдыхаемой воздушной смеси управляемое снижение объемной доли кислорода от 21-20 до 9-8%, и повышение объемной доли углекислого газа от 0,03-0,04 до 8-9%., увеличение степени осушки выдыхаемого воздуха в 1,5 раза, а также облегчить тренировку гипоксически - гиперкапнического дыхания и достижение адаптации к гипоксии и высотной преакклиматизации.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к дыхательному тренажеру. Тренажер содержит емкость, трубку вдоха с односторонним клапаном и трубку выдоха с односторонним клапаном, образующие замкнутый контур. К месту соединения трубки вдоха и трубки выдоха одним концом подключена промежуточная трубка, к другому концу которой подключена маска. К емкости прикреплен дыхательный мешок, выполненный с возможностью изменения его объема. Внутри емкости установлен осушитель воздуха и химический поглотитель углекислого газа. Осушитель воздуха выполнен с возможностью конденсации и замерзания паров воды и отделен от поглотителя углекислого газа газопроницаемой мембраной. Промежуточная трубка выполнена с возможностью изменения ее длины, а замкнутый контур содержит отверстие с регулируемым диаметром для контроля всасывания окружающего воздуха при вдохе и выпуска избыточного воздуха при выдохе. Трубка вдоха подключена к емкости через противобактериальный и противовирусный фильтр. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности управления содержанием углекислого газа и кислорода в дыхательном тренажере, увеличении степени осушки и охлаждения выдыхаемого воздуха, а также улучшении возможности использования дыхательного тренажера для адаптации к гипоксии и высотной преакклиматизации, а также для тренировки гипоксически-гиперкапнического дыхания. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Дыхательный тренажер, содержащий емкость, трубку вдоха с односторонним клапаном и трубку выдоха с односторонним клапаном, образующие замкнутый контур, к месту соединения трубки вдоха и трубки выдоха одним концом подключена промежуточная трубка, к другому концу которой подключена маска, при этом к емкости прикреплен дыхательный мешок, выполненный с возможностью изменения его объема, внутри емкости установлен осушитель воздуха и химический поглотитель углекислого газа, при этом осушитель воздуха выполнен с возможностью конденсации и замерзания паров воды и отделен от поглотителя углекислого газа газопроницаемой мембраной, промежуточная трубка выполнена с возможностью изменения ее длины, а замкнутый контур содержит отверстие с регулируемым диаметром для контроля всасывания окружающего воздуха при вдохе и выпуска избыточного воздуха при выдохе, при этом трубка вдоха подключена к емкости через противобактериальный и противовирусный фильтр.

2. Дыхательный тренажер по п. 1, отличающийся тем, что длина промежуточной трубки составляет 3-150 см, а диаметр 21-23 см.

3. Дыхательный тренажер по п. 1, отличающийся тем, что дыхательный мешок имеет объем 3-5 л.

4. Дыхательный тренажер по п. 3, отличающийся тем, что дыхательный мешок является одноразовым.

5. Дыхательный тренажер по п. 1, отличающийся тем, что отверстие с регулируемым диаметром выполнено с возможностью регулирования диаметра в диапазоне 1-6 мм.

6. Дыхательный тренажер по п. 1, отличающийся тем, что внутренний диаметр трубки вдоха выполнен с возможностью изменения в диапазоне от 20 до 30 мм.