Результат интеллектуальной деятельности: АППАРАТ ДЛЯ ГИПО-, ГИПЕРОКСИТЕРАПИИ

Изобретение относится к медицинской технике и может найти применение в практической медицине для получения гипоксических газовых смесей с пониженным содержанием кислорода, используемых для проведения нормобарической интервальной гипоксической тренировки (ИГТ), а также гипероксических смесей (ГПС) с повышенным содержанием кислорода, используемых в первую очередь для сочетанного метода нормобарической гипо-гиперокситерапии с применением ИГТ и ГПС.

Важным направлением в практической медицине, связанной с немедикаментозными методами лечения, профилактики и реабилитации, является применение нормобарической интервальной гипоксической тренировки с использование гипоксических газовых смесей с пониженным, на уровне 9-16 об.% О₂ содержанием кислорода. Для получения газовых гипоксических смесей создаются аппараты для гипокситерапии различных модификаций.

Известно устройство для получения газовой смеси для гипокситерапии, содержащее последовательно соединенные компрессор, газоразделительный элемент, выполненный на основе полых полимерных волокон, трубопровод с расходомером, увлажнителем и средством подсоединения к пациенту, а также систему регулирования параметров режима со средством контроля состояния пациента, при этом средство подсоединения к пациенту выполнено в виде камеры (комнаты) для дыхания гипоксической газовой смесью.

[см. авторское свидетельство СССР №1526688, опубл. 1989 г.].

Основным недостатком этого устройства является невозможность строгой дозировки концентрации кислорода в ГГС, что снижает эффективность гипокситерапии.

Известно также устройство для гипокситерапии, включающее последовательно соединенные компрессор, газоразделительный элемент, выполненный на основе полых полимерных волокон из полиметилпентена-1, трубопровод с расходомером, увлажнителем и фильтром, средство подсоединения к пациенту, выполненное в виде маски с клапанами для дыхания, а также систему регулирования параметров режима дыхания ГГС.[См. Европатент №0472799 А 1б, опубл. 1992 г.].

Основным недостатком этого устройства является невысокая производительность, что не позволяет обеспечивать газопроизводительность более 30 л/мин на каждого пациента и снижает эффективность его использования, а также недостаточная надежность устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому аппарату является заявка на изобретение от 18 января 1995.

Аппарат для гипокситерапии при нормобарических условиях или нормобарической интервальной гипоксической тренировки, включающий последовательно установленные в корпусе компрессор, систему подготовки воздуха, выполненную в виде теплообменника со сборником, газоразделительный мембранный элемент, выполненный в виде набора групп плоских диффузных ячеек на базе поливинилтриметилсилановых мембран, помещенных в кожухе, снабженных тремя штуцерами для поступления атмосферного воздуха, гипоксической смеси и воздуха, обогащенного кислородом, включающий также увлажнитель, ресивер, блок подключениям пациенту с дыхательной маской и средство контроля состояния пациента (заявка на изобретение от 18 января 1995 года №PCT/RU95/00003).

Недостатком прототипа являются:

- повышенная стоимость мембранного элемента как основного узла аппарата, что сдерживает возможность массовой реализации данного аппарата;

- невозможность использования сочетанного метода гипо-окситерапии, основанного на применении гипоксической и гипероксических смесей;

- недостаточно высокая производительность устройства по газовой смеси.

Техническим результатом предлагаемого аппарата для гипо-гиперкситерапии является возможность попеременного воздействия гипоксическими и гипероксическими смесями, повышение производительности выработки этих смесей со строгой дозировкой концентрации кислорода и времени дыхания этими смесями, а также удешевление аппарата, обеспечивающего снижение затрат на изготовление аппарата с одновременным повышением производительности как по гипоксическим, так и по гипероксическим смесям. Кроме того, обеспечивается сочетанное применение гипоксических и гипероксических смесей с определенным интервалом подачи их в дыхательную маску.

Указанный технический результат достигается тем, что аппарат для гипо-гиперокситерапии дополнительно снабжен группами диффузионных ячеек, которые включают различное количество ячеек, уменьшающееся в направлении движения разделяемого воздуха, причем ячейки расположены в порядке возрастания коэффициента селективности по ходу движения воздуха, а система подвода гипоксической и гипероксической смесей снабжена автоматически переключающимися клапанами, обеспечивающими подвод гипоксической и гипероксической смеси в маску по определенному запрограммированному в системе управления временному режиму подачи газовых смесей.

Группы диффузионных ячеек содержат различное количество ячеек в каждой группе, которое уменьшается в направлении движения атмосферного воздуха, причем по эффективности разделения воздуха диффузионные ячейки расположены в мембранном элементе в порядке возрастания эффективности разделения в направлении движения воздуха. Это позволяет в отличие от прототипа использовать практически все изготовленные диффузионные ячейки. Невозможно практически изготовить все ячейки с одинаковым высоким коэффициентом разделения О₂-N₂. Фактически изготавливаются ячейки в широком диапазоне коэффициента разделения О₂-N₂. Если по прототипу отбирались элементы с наиболее высоким элементом значения коэффициента разделения, то в данном изобретении реализуются все элементы. Это позволяет, во-первых, использовать практически все 100% ячеек, в то время как в прототипе использовалось 70% ячеек, что реализует удешевление мембранного элемента на 30%. Кроме того, обеспечивается увеличение производительности аппарата по схеме, по крайней мере, на 25%.

Обеспечение сочетанного применения гипоксических и гипероксических газовых смесей с определенным интервалом подачи их в дыхательную маску решается путем включения в конструкцию аппарата системы подвода к маске гипоксической и гипероксической смесей, снабженной автоматически переключающимися клапанами, обеспечивающими подвод гипоксической и гипероксической смесей в маску по определенному запрограммированному в системе управления временному режиму подачи газа.

Решению этой задачи позволяет проведение оптимального временного интервала гипоксических и гипероксических смесей. Оптимальная длительность для гипоксического воздействия 5 минут, для гипероксических интервалов 3 минуты, количество серий в сеансе 4-6. Количество сеансов для здоровых мужчин 14-16, для женщин 14-22 (срок между постменструальной и менструальной фазами).

Для всех обследуемых лиц разного возраста режимы ИГТ подбираются по показателям гипоксического теста. Мы проводим одно-, двух - и трехступенчатый гипоксический тест. Вдыхание ГС длится 10 минут. Содержание кислорода не меняется, и выбор основывается на данных анамнеза, клинического обследования.

Выбор содержания кислорода в гипоксической смеси обосновывается тем, что во время вдыхания гипоксической смеси насыщение артериальной крови кислородом и напряжение в ней кислорода должны быть ниже критического уровня не более чем на 2-4 мм рт.ст. Субкомпенсированная и тканевая гипоксия начинает только развиваться и ее повреждающее действие на клетки и их структурные элементы невелико, но уже проявляется ее стимулирующее действие на тканевые механизмы компенсации гипоксии (ускорение синтеза дыхательных ферментов и ферментов, участвующих в биосинтезе строительных белков).

После курса ИГТ гипоксия из субкомпенсированной переходит в компенсированную, более экономичной становится функция дыхания, повышается потребление кислорода, что говорит об эффективности курса ИГТ.

Фактором развития устойчивости организма является не только собственно период гипоксии, но и переход от гипоксии к нормоксии - реоксигенация. При периодическом изменении уровня кислорода (гипоксия-реоксигенация) клетка насыщается молекулами, повышающими ее защиту от повреждающих последствий.

Одним из факторов увеличения резистентности функциональных систем к повреждающим агентам является адаптационный сигнал. Поскольку адаптационный сигнал при периодическом действии гипоксии - нормоксии опосредован периодической же активацией скомпенсированного свободнорадикального сигнала, индуцирующего синтез защитных систем клетки, задачей явилось повысить силу свободнорадикального сигнала не за счет интенсивности гипоксического воздействия, а за счет гипероксического компонента.

С этой целью на основе результатов изучения механизмов действия периодической гипоксии или гипероксии мы использовали новый метод интервальной гипоксической тренировки, сочетающей периоды гипоксии и гипероксии. При этом способом достижения резистентности функциональных систем организма явилось применение в качестве фактора адаптации периодического воздействия газовой среды с различным уровнем кислорода как ниже, так и выше нормоксического уровня, т.е. попеременное сочетание гипоксии и гипероксии.

При этом выяснилось, что адаптация к сочетанному применению гипоксии и гипероксии обладает выраженным защитным эффектом и адаптационный эффект достигается значительно раньше, чем при использовании для адаптации только периодов гипоксии.

Это является существенным отличием и новизной от предыдущего уровня медицинской техники. Неправильный выбор величины временного интервала может резко снизить положительный лечебный эффект либо привести к отрицательному воздействию на организм человека и развитию тканевой гипоксии с явлениями деструкции.

Автоматизированная подача гипоксических и гипероксических смесей позволяет также обеспечить комфортность процедуры, особенно при сочетании гипо-гиперокситерапии с другими методами лечения. Дыхательная маска находится в одном положении как во время гипоксических воздействий, так и во время гипероксических. Пациенту нет необходимости все время находиться в ожидании звукового и светового сигналов и попеременно использовать дыхательную маску.

Краткое описание фигур чертежей.

На фиг.1 изображен мембранный газоразделительный элемент, описанный выше.

На фиг.2 изображен общий вид аппарата для гипо-окситерапии с компрессором, находящимся вне корпуса аппарата.

На фиг.3 изображен вид спереди и вид сбоку со снятыми панелями корпуса аппарата для гипо-окситерапии.

На фиг.4 изображена принципиальная схема автоматизированной подачи гипоксической и гипероксических смесей в дыхательную маску.

Описание устройства.

Предлагаемый аппарат для гипо-гиперокситерапии оборудован газоразделительным элементом, который изображен на фиг.1. Газоразделительный элемент представляет собой цилиндрический металлический ограничитель объема 1, в который помещен пакет в количестве 120-140 штук плоских диффузионных ячеек из поливинилтриметилсилана марки ПА-160-С-3.1. Каждая ячейка имеет толщину 1,5-2 мм и среднюю толщину зазора между двумя соседними ячейками 1-1,3 мм.

Газоразделительный элемент имеет коллектор сброса гипероксической газовой смеси 3, который изготовлен металлическим, полым, с толщиной стенки 3-5 мм, с пазами для прохода газа размером 60×12 мм. Диаметр коллектора 40-50 мм. Коллектор 3 заканчивается штуцером 4, предназначенным для вывода гипероксической газовой смеси и выполненный с возможностью подключения гибких шлангов. Штуцер 4 выполнен в виде конуса, на который насаживается гибкий шланг из полимерного материала. Полость 8 имеет штуцер 5 для вывода гипоксической газовой смеси из гипоксической полости 8, который выполнен металлическим с возможностью подключения гибких шлангов и по конструкции аналогичен штуцеру 4. Полость 8 выполнена с опорой 6, имеющей вертикальную стенку и опору коллектора из нержавеющей стали 7, образующие герметичный объем для сбора гипоксической газовой смеси. Элемент имеет штуцер входа сжатого атмосферного воздуха 9, выполненный металлическим с возможностью подсоединения гибкого шланга, аналогично конструкции штуцеров 4 и 5.

Пакет ячеек 2 оборудован металлическим прижимом 10 с окном для прохода газа, диффузионные ячейки собраны в пакет. Окна выполнены круглыми с размерами, не препятствующими проникновению газовой смеси.

Прижим 10 на пакете ячеек выполнен в виде жесткого металлического, предпочтительно из нержавеющей стали, диска с круглыми окнами. Прижим атмосферным воздухом и служит для размещения прижимной пружины 12. Болт 13 через пластину 14 сдавливает пружину до необходимого усилия. Элемент снабжен входной полостью атмосферного воздуха 15.

Пакет плоских ячеек 2 при помощи пластин 16 разделен на отдельные группы, которых может быть до 25. Группа диффузионных ячеек содержит различное количество ячеек в каждой группе, которое монотонно уменьшается в направлении движения атмосферного воздуха, причем по эффективности разделения воздуха диффузионные ячейки расположены в мембранном элементе в порядке возрастания эффективности разделения в направлении движения воздуха. В начальной группе ячеек расположено максимальное количество ячеек с минимальной эффективностью разделения воздуха.

Пример расположения диффузионных ячеек в пакете.

В пакете собрано 120 ячеек. В таблице содержатся данные по количеству ячеек в каждой группе с характеристикой коэффициента селективности O₂/N₂. Коэффициент селективности равен отношению проницаемости по кислороду к проницаемости по азоту.

Пластинки 16 так же, как прижим 10, оборудованы окнами 17 для организации упорядоченного прохода разделяемого воздуха, что увеличивает поверхность контакта воздуха с мембраной. Пакет ячеек 2 изолирован от полости 15 путем тканевой обмотки 18. Обмотка выполнена из электроизоляционной ткани, пропитанной компаундом с наполнением из молотого пылевидного кварца. Наличие обмотки 18 позволяет разделить полость входного атмосферного воздуха 15 и полость гипоксической газовой смеси.

Аппарат для гипо-гиперокситерапии, изображенный на фиг.2 и 3, состоит из безмасляного мембранного компрессора 19, металлического корпуса 20, газоразделительного мембранного элемента 21, маховика регулятора газовой гипоксическои смеси (ГГС) 22, увлажнителя 23, ресивера 24, маски с обратным клапаном 25, пульсометра с датчиком кислорода 26, теплоохладителя со сборником конденсатора 27, блока автоматического слива конденсата 28, вентиля регулятора расхода газовой смеси 29, регулируемого жиклера 30, предохранительного клапана 31, светового сигнала 32, звукового сигнала 33 и пульта управления 34, а также системы автоматизированной подачи гипоксической и гипероксических смесей в дыхательную маску (фиг.4).

Предлагаемый аппарат для гипо-гиперокситерапии согласно настоящему изобретению оборудован регулятором расхода газовой смеси (Фиг. 2, 3). Регулятор расхода выполнен разветвленным на две магистрали. Разветвление обеспечивается тройником с присоединенными к нему пластиковыми трубопроводами. Каждая из магистралей оборудована приспособлением для регулирования расхода гипоксической смеси. На первой по ходу газа магистрали расположен вентиль, который при помощи регулирующего элемента игольчатого типа с маховиком обеспечивает плавную регулировку содержания кислорода гипоксической газовой смеси от 9 до 16% с контролем на световом табло, указывающим концентрацию кислорода.

На второй по ходу магистрали установлен регулируемый жиклер игольчатого типа, рассчитанный таким образом, чтобы гипоксическая смесь с содержанием кислорода не менее 9% к пациенту не поступала.

Эта конструкция позволяет с высокой надежностью регулировать состав гипоксической газовой смеси и исключает подачу смеси пациенту с содержанием кислорода, могущей нанести вред здоровью пациента.

В предлагаемом аппарате для гипо-гиперокситерапии содержится ресивер, являющийся емкостью для хранения запаса гипоксической газовой смеси, снабженный предохранительным клапаном с автоматическим сбросом давления.

Аппарат снабжен также системой автоматизированной подачи гипоксической и гипероксической смесей в дыхательную маску (фиг.4), имеющей коммуникацию гипоксической смеси 35, соединенную с мембранным элементом 21, коммуникацию гипероксической смеси 37, также соединенную с мембранным элементом.

Коммуникации снабжены пневмоклапанами 38 и 39 для сброса газовых смесей в атмосферу, а также 40 и 41 - перекрывающими подвод соответственно гипоксической и гипероксической смесей к маске. Временные режимы подвода гипоксических и гипероксических смесей задаются в системе управления.

Аппарат для гипо-гиперокситерапии монтируется следующим образом.

Пример 1.

В корпус 20 монтируется приспособление для регулирования расхода гипоксической газовой смеси 29, ресивер 24 с предохранительным клапаном, пульт с контрольным табло. Затем монтируются газоразделительный мембранный элемента 21 и компрессорный блок 19 (в случае размещения его в корпусе). Затем монтируются увлажнитель 23, пульсометр 26, теплоохладитель со сборником конденсата 27, блок автоматического слива конденсата 28, регулируемый жиклер, световой сигнал и звуковой сигнал. Монтируется также система автоматизированной подачи гипоксических и гипероксических смесей к дыхательной маске (фиг.4). Далее элементы пневматической системы соединяются пластиковыми шлангами и электрическими кабелями. После контроля соединений установка включается в сеть. При помощи контрольной аппаратуры производится настройка пневмосистемы.

Пульсометр представляет собой выполненный по традиционной схеме автономный прибор, вмонтированный в пульт управления для гипо-окситерапии. Пульсометр работает в автономном режиме и имеет связь с системой управления аппарата, необходимой для подачи сигнала на отключение его при критических значениях используемых им параметров, в частности частоты пульса пациента и SpO₂ (насыщения гемоглобина кислородом).

Автоматическое отключение аппарата заключается в отключении) компрессора с подачей звукового и светового сигналов. Оно производится электронной системой управления аппаратом для гипо-гиперокситерапии по сигналу от пульсометра в случае отклонения от нормы контролируемого параметра.

Световой сигнал подается светодиодом, размещенным на стороне панели пульта управления, обращенной к пациенту. Звуковой сигнал подается в виде условной мелодии громкоговорителем, смонтированным на панели пульта со стороны пациента.

В блок управления включены панели, на первой из них врач устанавливает режим тренировочного сеанса - длительность вдыхания гипоксической смеси и длительность вдыхания гипероксической, о количестве серий в сеансе. На второй панели управляющего блока автоматически появляется световой сигнал о начале сеанса, начале и окончании вдыхания гипоксической и гипероксической смеси, об окончании сеанса.

Наличие в данном аппарате «гипоксикатор» дополнительных приборов - волюметра и пульсометра позволяет вести определение многих функциональных показателей: минутного, дыхательного объемов дыхания, его частоты, состава выдыхаемого и альвеолярного воздуха, альвеолярной вентиляции, ее доли в минутном объеме дыхания, потребления кислорода, частоты сердечных сокращений, насыщения артериальной крови кислородом. Это может быть использовано для определения состояния организма в условиях покоя, а также для оценки степени гипоксии у пациентов во время вдыхания гипоксической смеси и восстановления функциональных показателей во время гипероксии. С помощью автоматизированного анализа и моделирования состояния организма можно быстро обработать результаты тестирования в гипоксических и гипероксических условиях.

Предлагаемый аппарат для гипо-гиперокситерапии дополнительно снабжен установленным перед газоразделительным элементом теплоохладителем исходного воздуха, который оборудован сборником конденсата и блоком автоматического слива конденсата.

Теплоохладитель исходного воздуха выполнен в виде спирали из металлической, в частности стальной или алюминиевой трубы с диаметром 8-12 мм, оборудованной в конце емкостью для сбора конденсата. Спираль и емкость принудительно обдуваются воздушным вентилятором.

На линии слива конденсата установлен блок автоматического слива конденсата, представляющий собой электропневмоклапан, открывающийся при остановке аппарата по сигналу от блока управления.

Аппарат для гипо-гиперокситерапии работает следующим образом.

Пример 2

Аппарат включается в сеть. Нажатием кнопки на пульте включается система управления, прогревается 10-15 минут и в дальнейшем остается включенной в течение всего лечебного дня. Нажатием другой кнопки включается компрессор и через 5-10 минут аппарат готов к работе.

В соответствии с медицинскими показаниями для конкретного пациента оператор задает программу сеанса лечения на пульте (время подачи гипоксической и гипероксических смесей в маску и вращением маховика, вентиля 39 устанавливают необходимую концентрацию кислорода в подаваемой пациенту газовой смеси и постоянно указывается в одном из окон пульта системы управления). На палец любой из рук пациента закрепляется датчик пульсометра и нажатием кнопки пуск на пульте дается команда на начало сеанса.

Загорается световая сигнализация и подается звуковой сигнал. Пациент свободной от датчика пульсометра рукой самостоятельно прижимает маску с клапаном 7 к лицу и удерживает ее весь цикл дыхания, возможна постоянная фиксация с помощью резиновой ленты.

Процесс подачи гипоксических и гипероксических смесей в маску осуществляется следующим образом (фиг.4): по команде с системы управления подается сигнал на закрывание клапана 38 и открывание клапана 40. Клапан 39 открывается, а клапан 41 закрывается, после чего гипоксическая газовая смесь подается в маску, а гипероксическая смесь сбрасывается в атмосферу. Через определенное время клапан 40 закрывается, клапан 38 открывается, клапан 39 закрывается, а клапан 41 открывается, в результате чего гипероксическая смесь подается в маску, а гипоксическая смесь сбрасывается в атмосферу.

Об окончании сеанса пациент и оператор извещаются световым и звуковым сигналами, размещенными на табло. Изменение концентрации О₂ в газовых смесях в течение сеанса при необходимости проводит оператор соответствующих вентилей. По окончании сеанса нажатием соответствующей кнопки выключается компрессор до начала следующего лечения.

Использование аппарата для гипо-окситерапии при нормобарических условиях осуществляется следующим образом.

Пример 3.

Сеанс интервальной гипоксической тренировки включал кратковременное вдыхание (5 минут) гипоксической смеси с 11-16% кислорода, повторяющееся 4-6 раз за один сеанс при нормальном атмосферном давлении и вдыхании гипероксической смеси (3 минуты) с концентрацией кислорода не более 30%. Количество сеансов для здоровых мужчин - 14-16, для женщин - 14-22 (срок между постменструальной и менструальной фазами). Об окончании сеанса пациент и оператор извещаются световым и звуковым сигналами, размещенными на табло.

Промышленная применимость

Использование предлагаемого аппарата для гипо-гиперокситерапии при нормобарических условиях позволяет обеспечить следующие преимущества:

- обеспечить высокую газопроизводительность по гипоксической газовой смеси, из расчета 40-60 л/мин на каждого пациента, что позволяет проводить курс лечения не только одного пациента, но и на двух;

- высокую надежность работы аппарата и практическую безаварийность в течение всего ресурса работы за счет наличия в конструкции аппарата дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих высокую надежность аппарата;

- предлагаемый аппарат для гипо-гиперокситерапии может быть использован для лечения больных с бронхолегочными, сердечно-сосудистыми заболеваниями, анемиями, гипо- и гипертиреозами, язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки, хроническими гинекологическими заболевания, после оперативного вмешательства, а также для тренировки спортсменов для достижения лучших результатов в соревновательных периодах;

- более комфортный прием процедуры, особенно при сочетании гипо-гиперокситерапии с другими методами лечения. Дыхательная маска находится в одном положении как во время гипоксических воздействий, так и во время гипероксических.

- аппарат для гипо-гиперокситерапии в связи с его удешевлением может быть доступен для более широких слоев населения.