BR112013021766B1 - método para proteger ocupante de aeronave - Google Patents
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Abstract
método para proteger ocupante de aeronave, e, máscara de respiração método para proteger ocupante de aeronave compreendendo as etapas de: - prover um usuário (7) com uma máscara de respiração (4) para ocupante de aeronave, - prover um gás respiratório (62) incluindo uma mistura de gases respiráveis e gás de diluição ao usuário (7), - detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio ou dióxido de carbono em gás de expiração (64) gerado pelo usuário (7), - ajustar (60) a taxa de oxigênio no gás respiratório (62).
Description
“MÉTODO PARA PROTEGER OCUPANTE DE AERONAVE”
CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção diz respeito a uma máscara de respiração para regulador de demanda de aeronave e um método de regulação de diluição para proteger o ocupante (passageiros e/ou membros da tripulação) de uma aeronave contra os riscos associados com despressurização em alta altitude e/ou fumaça e fumo na cabine.
[0002] Em particular, a invenção diz respeito ao ajuste do gás respiratório fornecido a um usuário para satisfazer as necessidades do usuário, usando uma fonte de gás respirável fornecendo oxigênio puro (cilindro de oxigênio, gerador químico ou conversor de oxigênio líquido) ou gás altamente enriquecido em oxigênio tal como um sistema gerador de oxigênio a bordo (OBOGS).
[0003] Para assegurar a proteção dos passageiros e/ou membros da tripulação em caso de despressurização e/ou ocorrências de fumaça na aeronave, os reguladores de demanda devem liberar um gás respiratório que é uma mistura de gás de diluição (geralmente ar ambiente) e gás respirável dependendo da altitude da cabine. Após uma despressurização, a altitude da cabine alcança um valor próximo à altitude da aeronave. O valor de pressão da cabine é geralmente referido como altitude de cabine. Altitude de cabine é definida como a altitude correspondendo à atmosfera pressurizada mantida dentro da cabine. Este valor difere da altitude de aeronave que é sua altitude física atual. Correspondências entre pressão e altitude convencional são definidas nas tabelas. A taxa mínima de oxigênio no gás respiratório de acordo com a altitude de cabine é ajustada para aviação civil pelas Regulações de Aviação Federal (FAR).
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0004] A maioria das máscaras de respiração de tripulação atuais protegendo membros da tripulação de aeronave de formar hipoxia são equipadas com reguladores de oxigênio usando tecnologia pneumática para controlar usando um laço aberto a pressão parcial de oxigênio no gás de respiração. Nesta tecnologia, ar ambiente é sugado através da linha de fornecimento de gás de diluição por um Venturi que
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2/21 fornece sucção por fluxo de alta velocidade de gás respirável. Uma cápsula aneróide (chamada também cápsula de altímetro) regula o enriquecimento de oxigênio altimétrico ajustando a seção da linha de fornecimento de gás de diluição. Tais reguladores de demanda são conhecidos a partir dos documentos US 6.994.086, FR 1484691 ou US 6.796.306. Como o enriquecimento de oxigênio depende da seção da linha de fornecimento de gás de diluição controlada pela liberação de cápsula de aneróide, o consumo de oxigênio não pode ser ótimo para todas as faixas de altitude da cabine e/ou para todas das ventilações de respiração.
[0005] A necessidade de economizar oxigênio tem levado ao desenvolvimento de regulador eletropneumático como descrito nos documentos US 4.336.590, US 6.789.539, US 2007/0107729 ou US 2009/0277449. Estes equipamentos realizaram um controle de laço fechado do gás de respiração usando uma medição do “teor de gás inspirado”. Estes equipamentos que são interessados apenas no teor do gás fornecido ao piloto e não ao estado fisiológico do piloto necessita detecção e acionamento rápido de modo a realizar um controle “em tempo real” preciso do gás inspirado.
[0006] Outra publicação tal como patente WO 2008/067545 usa a medição da saturação de oxigênio no sangue arterial (SaO2) de modo a ajustar o teor de gás respirável. Este parâmetro fisiológico corresponde à fração da quantidade de oxigênio transportado pelo sangue para a quantidade teórica máxima de gás transportável. É ligado à pressão parcial de oxigênio no sangue arterial (PaO2) graças à Curva de Barcroft ou curva de dissociação de hemoglobina mostrada na Figura 1, que pode variar dependendo de vários fatores tais como o pH do sangue (saturação diminuindo com pH), a pressão parcial de dióxido de carbono nos alvéolos PaCO2 (SaO2 diminui quando PaCO2 aumenta) e a temperatura (SaO2 diminui quando a temperatura do sangue aumenta).
[0007] PaO2 é um dado difícil de medir por outro lado SaO2 pode ser facilmente medido usando um oxímetro de pulso. Mas uma vez que a PaO2 alcance 80 hPa a curva é quase plana, indicando que existe pouca mudança na saturação acima deste ponto. Isto não é um problema para proteção hipóxica de passageiro onde o nível de
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PaO2 alvejado é abaixo de 80 hPa mas isto não é adaptado para proteção hipóxica de membro de tripulação precisa onde o nível de PaO2 alvejado é em torno de 100 hPa.
RESUMO DA INVENÇÃO [0008] A finalidade desta invenção é fornecer um regulador de demanda que é confiável, relativamente barato, simples de ajustar e forneça uma taxa de oxigênio em conformidade com o mínimo requerido enquanto sendo próximo do mínimo requerido. [0009] Com esta finalidade a invenção fornece um método para proteger ocupante de aeronave compreendendo as etapas de:
- prover um usuário com uma máscara de respiração para ocupante de aeronave;
- prover um gás respiratório incluindo uma mistura de gás respirável e gás de diluição ao usuário,
- detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio ou dióxido de carbono no gás de expiração gerado pelo usuário,
- ajustar a taxa (fração/porcentagem/concentração) de oxigênio (ou gás respirável) no gás respiratório.
[0010] A medição da pressão parcial de oxigênio no gás de expiração dá uma estimativa com boa confiabilidade da pressão parcial de oxigênio nos alvéolos PaO2. Este parâmetro fisiológico que expressa a pressão parcial de oxigênio no pulmão é próximo da pressão parcial no sangue arterial PaO2 quando a altitude da cabine é alta. [0011] Uso de PaO2 para ajustar a taxa de oxigênio no gás respiratório pelo controle da válvula de diluição levando em conta a fisiologia do usuário que pode diferir entre usuários. Isto permite uma entrega mais precisa de oxigênio de acordo com a necessidade fisiológica e restrição de regulação. Então, o risco de hipóxia do ocupante de aeronave (em particular piloto ou membros da tripulação) e o consumo de oxigênio podem ser reduzidos.
[0012] Deve ser notado que taxa, fração, porcentagem ou concentração são palavras diferentes referindo a quase a mesma característica.
[0013] Então, de acordo com a característica suplementar, o método
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4/21 preferencialmente compreende ajustar (regular em laço fechado) a taxa de oxigênio no gás respiratório de acordo com a pressão parcial ou taxa de oxigênio ou dióxido de carbono no gás de expiração.
[0014] Entretanto, o consumo de oxigênio é otimizado em função do requerimento do usuário.
[0015] De acordo com outra característica, o método preferencialmente compreende:
- detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás de expiração gerado pelo usuário, e
- ajustar a taxa de oxigênio no fluxo respiratório de acordo com a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás de expiração.
[0016] De fato, apareceu que ajustar a taxa de oxigênio no fluxo respiratório de acordo com a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás de expiração é mais satisfatório que de acordo com a pressão parcial ou taxa de dióxido de carbono no gás de expiração.
[0017] Entretanto, de acordo com uma característica vantajosa suplementar, o método ainda compreende:
- detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio e dióxido de carbono no gás de expiração gerado pelo usuário, e
- ajustar a taxa de oxigênio no fluxo respiratório de acordo com a pressão parcial ou taxa de oxigênio e dióxido de carbono no gás de expiração.
[0018] De fato, pressão parcial ou taxa de oxigênio e dióxido de carbono no gás de expiração gerado pelo usuário permite ainda otimizar o consumo de oxigênio, em particular aumentando a taxa de oxigênio no gás respiratório quando a pressão parcial de dióxido de carbono PCO2 no gás de expiração diminui sob um limite determinado.
[0019] De acordo com outra característica o método preferencialmente compreende:
- detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás de expiração gerado pelo usuário,
- detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório, e
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- determinar coerência entre a pressão parcial ou taxa de oxigênio detectada no gás de expiração e a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório para detectar falha (em particular uma falha no dispositivo de ajuste de diluição).
[0020] Esta verificação é muito mais precisa e mais confiável que verificação usual consistindo em alarme fora de faixa no sensor de oxigênio para monitorar falha no processo de regulação.
[0021] De acordo com característica suplementar conforme a invenção, preferencialmente o método ainda tem as seguintes etapas:
- detectar pressão barométrica na aeronave, e
- determinar coerência entre a pressão parcial ou taxa de oxigênio detectado no gás de expiração e a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório graças à equação de coerência incluindo:
• a pressão parcial ou taxa de oxigênio detectada no gás de expiração, • a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório, e • a pressão barométrica.
[0022] A relação entre estas características permite determinar uma falha bem facilmente e é particularmente eficiente.
[0023] De acordo com outra característica suplementar de acordo com a invenção, preferencialmente dita equação de coerência é:
PaO2 = FiO2 . (Pb - PaH2O) - PaCO2 . (F1O2 + (1 - FiO2) / R), onde:
PaO2 é a pressão parcial de oxigênio detectada no gás de expiração,
PB é a pressão barométrica na aeronave,
PaCO2 é a pressão parcial de dióxido de carbono no gás de expiração,
PaH2O é a pressão parcial de água no gás de expiração,
F1O2 é taxa de oxigênio ou a pressão parcial de oxigênio detectada no gás respiratório,
R é uma constante entre 0,1 e 1,2 correspondendo ao quociente respiratório.
[0024] De acordo com outra característica suplementar conforme a invenção,
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6/21 preferencialmente o método ainda compreende detectar a pressão parcial de dióxido de carbono no gás de expiração.
[0025] A determinação de falha é mais precisa.
[0026] De acordo com outra característica suplementar conforme a invenção, preferencialmente a pressão parcial de água no gás de expiração é substituída por uma constante.
[0027] De acordo com outra característica conforme a invenção, o método compreende (alternativamente) detectar a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás de expiração e a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório detectada com um único sensor de gás (o mesmo).
[0028] A determinação de falhas é confiável enquanto requerendo alguns elementos (meios).
[0029] A invenção também diz respeito a uma máscara de respiração para ocupante de aeronave incluindo um regulador de demanda, dito regulador compreendendo:
- uma linha de fornecimento de gás respirável a ser conectada a uma fonte de gás respirável e fornecendo uma câmara de fluxo com gás respirável,
- uma linha de fornecimento de gás de diluição a ser conectada a uma fonte de gás de diluição e fornecendo a câmara de fluxo com gás de diluição, um dispositivo de ajuste de diluição ajustando a taxa do gás de diluição no gás respiratório fornecido à câmara de fluxo, o dispositivo de ajuste de diluição compreendendo uma válvula de diluição, um sensor de gás adaptado para detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio ou dióxido de carbono e um dispositivo de controle controlando a válvula de diluição de acordo com um sinal de diluição gerado pelo sensor de gás em função da pressão parcial ou taxa de oxigênio ou dióxido de carbono.
[0030] Em modalidades vantajosas, o conjunto de respiração preferencialmente ainda tem uma ou mais das seguintes características:
[0031] Breve descrição dos desenhos [0032] Outras características e vantagens da presente invenção irão aparecer na
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7/21 seguinte descrição detalhada, com referência aos desenhos anexos nos quais:
- FIG. 1 representa a saturação de sangue arterial de acordo com a pressão parcial de oxigênio no sangue arterial,
- FIG. 2 mostra uma mascara de respiração compreendendo uma câmara de fluxo,
- FIG. 3 esquematicamente representa um primeiro fluxo e um segundo fluxo na câmara de fluxo da máscara de respiração, de acordo com primeira modalidade de um dispositivo de detecção,
- FIG. 4 representa variações do primeiro fluxo na câmara de fluxo sobre o tempo,
- FIG. 5 representa variações do segundo fluxo na câmara de fluxo sobre o tempo,
- FIG. 6 representa medições fornecidas pelos sensores de gás colocados na câmara de fluxo,
- FIG. 7 representa uma segunda modalidade de um dispositivo de detecção de acordo com a invenção,
- FIG. 8 representa uma terceira modalidade de um dispositivo de detecção de acordo com a invenção,
- FIG. 9 representa uma quarta modalidade de um dispositivo de detecção de acordo com a invenção,
- FIG. 10 representa uma quinta modalidade de um dispositivo de detecção de acordo com a invenção,
- FIG. 11 representa uma etapa de um método de acordo com a invenção usando o dispositivo de detecção da quinta modalidade,
- FIG. 12 é um fluxograma representando etapas diferentes de um método para usar o dispositivo de detecção da quinta modalidade,
- FIG. 13 representa pressão parcial de oxigênio de acordo com o método para usar o dispositivo de detecção da quinta modalidade,
- FIG. 14 representa pressão parcial de oxigênio de acordo com um método alternativo para usar o dispositivo de detecção da quinta modalidade.
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DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0033] FIG. 2 divulga funções principais de uma máscara de respiração 4 para ocupante de uma aeronave, em particular para piloto disposta em uma cabine 10 de uma aeronave.
[0034] A máscara de respiração 4 compreende um regulador de demanda 1 e uma peça de face oronasal 3 fixada a uma porção de conexão tubular 5 do regulador 1. Quando um usuário 7 veste a máscara de respiração 4, a peça de face oronasal 3 é colocada na pele da face do usuário 7 e delimita a câmara respiratória 9.
[0035] O regulador de demanda 1 tem um alojamento 2 incluindo uma linha de fornecimento de gás respirável 12, uma linha de fornecimento de gás de diluição 14 e uma linha de fornecimento de gás respiratório 16. A linha de fornecimento de gás respiratório 16 tem uma extremidade a jusante em comunicação fluida com a câmara respiratória 9.
[0036] A linha de fornecimento de gás respirável 12 é fornecida em sua extremidade a montante com oxigênio pressurizado por uma fonte de gás respirável através de um duto de alimentação 6. Na modalidade mostrada, a fonte pressurizada de gás respirável 8 é um cilindro contendo oxigênio pressurizado. A linha de fornecimento de gás respirável 12 fornece a câmara respiratória 9 com gás respirável através da linha de fornecimento de gás respiratório 16, a extremidade a jusante da linha de fornecimento de gás respirável 12 sendo diretamente em comunicação fluida com a extremidade a montante da linha de fornecimento de gás respiratório 16.
[0037] A linha de fornecimento de gás de diluição 14 está em comunicação por sua extremidade a montante com uma fonte de diluição de gás. Na modalidade ilustrada, o gás de diluição é ar e a fonte de gás de diluição é na cabine 10 da aeronave. A linha de fornecimento de gás de diluição 14 fornece a câmara respiratória com gás de diluição através da linha de fornecimento de gás respiratório 16, a extremidade a jusante da linha de fornecimento de gás de diluição 14 sendo diretamente em comunicação fluida com a extremidade a montante da linha de fornecimento de gás respiratório 16. Assim, na modalidade ilustrada na FIG. 2, o gás respirável e o gás de diluição são misturados na linha de fornecimento de gás
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9/21 respiratório 16 do alojamento 2, p.ex. antes de fornecer a câmara respiratória 9 através da porção de conexão tubular 5. Portanto um fluxo 62 de gás respiratório escoa na linha de fornecimento de gás respiratório 16 e na câmara respiratória 9, o gás respiratório incluindo gás respirável e gás de diluição misturados.
[0038] O regulador 1 ainda compreende uma linha de exaustão e uma válvula de exaustão 20. A válvula de exaustão 20 é disposta entre a extremidade a jusante da linha de exaustão 18 e a cabine 10 (ar ambiente). A extremidade a montante da linha de exaustão 18 está em comunicação com a câmara respiratória 9 da peça de face oronasal 3 através da porção de conexão tubular 5 e recebe um fluxo 64 do gás expirado pelo usuário. A respeito da exaustão do gás de expiração 64, a válvula de exaustão 20 funciona como uma válvula de retenção que abre sobre pressão do gás de expiração 64 e fecha para prevenir ar da cabine 10 de entrar na câmara de fluxo 30.
[0039] O usuário 7 inspira e expira na câmara respiratória 9. A linha de expiração 18 está em comunicação diretamente ou através da câmara respiratória 9 com a linha de fornecimento de gás respiratório 16. Entretanto, a linha de fornecimento de gás 16, a câmara respiratória 9 e a linha de expiração 18 define uma câmara 30 sem separação.
[0040] O regulador de demanda 1 ainda tem um dispositivo de ajuste de pressão 22 e um dispositivo de ajuste de diluição 24.
[0041] O dispositivo de ajuste de pressão 22 ajusta a pressão na câmara de fluxo 30 e em particular na câmara respiratória 9. Na modalidade ilustrada na FIG. 2, o dispositivo de ajuste de pressão 22 compreende em particular uma válvula principal disposta entre o duto de alimentação 6 e a linha de fornecimento de gás respiratório 16.
[0042] O dispositivo de ajuste de diluição 24 ajusta a taxa de oxigênio no fluxo gás respiratório 62. Na modalidade ilustrada, o dispositivo de ajuste de diluição compreende em particular uma válvula de diluição 23, um dispositivo de controle 60, um sensor de direção de fluxo 28, um sensor de oxigênio 42, um sensor de dióxido de carbono opcional 68, um sensor de altitude de cabine 71 e um sensor de altitude de
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10/21 aeronave opcional 72. A válvula de diluição 23 é disposta entre a linha de fornecimento de gás de diluição 14 e a linha de fornecimento de gás respiratório 16. O dispositivo de controle 60 controla a válvula de diluição 23. O sensor de direção de fluxo 38, o sensor de oxigênio 42, o sensor de dióxido de carbono 68, o sensor de altitude de cabine 71 e o sensor de altitude de aeronave 72 fornecem informação ao dispositivo de controle 60 para ajustar a taxa de oxigênio no gás respiratório 62 acionando a válvula de diluição 23. O sensor de altitude de cabine 71 detecta a pressão barométrica, p.ex. a pressão ambiente (absoluta) (na cabine 10 da aeronave). O sensor de altitude de aeronave 72 detecta a pressão externa da cabine 10. Durante operação normal, equipamento pressuriza a cabine 10 na altitude de cabine, então a pressão é maior que a pressão externa da cabine e reciprocamente a altitude de cabine é menor que a altitude da aeronave.
[0043] Reguladores de demanda iniciam fornecendo primeiro mistura de gás (gás respiratório) em resposta ao usuário da máscara de respiração inspirando e para de fornecer gás respiratório quando o usuário para de inspirar.
[0044] Pode-se referir à técnica anterior, tal como, por exemplo, o documento US 6.789.539 para uma descrição mais detalhada de um regulador de demanda. A presente invenção é também aplicável a outros tipos de dispositivo de ajuste de diluição 24, tal como o dispositivo de ajuste de diluição divulgado no pedido de patente PCT/IB2011/000772 ou US 6.789.539 incluídos por referência.
[0045] FIG. 3 esquematicamente representa um dispositivo de detecção 100 compreendendo um sensor de direção de fluxo 38, dois sensores de gás: um sensor de oxigênio 42 e um sensor de dióxido de carbono opcional 68. O dispositivo de detecção 100 é uma porção da máscara de respiração 4 representado na FIG. 2. O sensor de oxigênio 42 e o sensor de dióxido de carbono 68 são colocados na câmara de fluxo 30 formando uma câmara de detecção 40 na qual alternativamente escoa uma primeira mistura de gás 32 e uma segunda mistura de gás 34. De modo a ajustar a taxa de oxigênio para fornecer ao usuário 7, uma característica (em particular a pressão parcial ou porcentagem de um gasoso) de um constituinte gasoso (em particular oxigênio e dióxido de carbono) de pelo menos a primeira mistura de gás 32
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11/21 é para ser detectada pelo sensor de oxigênio 42 e o sensor de dióxido de carbono 68. [0046] O sensor de direção de fluxo 38, o sensor de oxigênio 42 e o sensor de dióxido de carbono 68 são conectados ao dispositivo de controle 60. O sensor de direção de fluxo 38 detecta se a direção de fluxo na câmara de fluxo 30 corresponde à direção da primeira mistura de fluxo 32. O sensor de direção de fluxo 28 pode também detectar se a direção de fluxo na câmara de fluxo 30 corresponde à direção da segunda mistura de fluxo 34.
[0047] De fato, a primeira mistura de gás 32 pode ser tanto o gás respiratório 62 ou o gás de expiração 64, que significa que a característica do constituinte gasoso para detectar pode ser tanto no gás respiratório ou no gás de expiração. Então, a primeira mistura de gás 32 escoa da porção de conexão tubular 5 para (a boca ou nariz) do usuário 7 ou do usuário 7 para a porção de conexão tubular 5. Reciprocamente, a segunda mistura de gás 34 pode ser tanto o gás de expiração 64 ou o gás respiratório 62.
[0048] O sensor de oxigênio 42 é adaptado para determinar em particular pressão parcial (ou porcentagem) em oxigênio do gás contido na câmara de detecção 40 enquanto o sensor de dióxido de carbono 68 é adaptado para determinar em particular pressão parcial (ou porcentagem) em dióxido de carbono do gás contido na câmara de detecção 40.
[0049] O sensor de direção de fluxo 38 inclui em particular um sensor de pressão, um sensor medidor de pressão, um sensor de pressão diferencial, termistâncias, um sensor de estado de uma válvula de retenção ou um dispositivo sensor piezo compreendendo uma folha flexível e detecção da direção da curvatura da folha flexível.
[0050] Como representado esquematicamente na FIG. 4, entre o tempo 0 e o tempo Ti, o teor de gás na câmara de fluxo 30 alcança o teor de gás do primeiro fluxo da mistura de gás 32 e então entre o tempo Ti e o tempo Ti + T2, o primeiro fluxo de mistura de gás 32 se torna ausente da câmara de fluxo 30.
[0051] Como representado esquematicamente na FIG. 5, entre o tempo 0 e o tempo Ti, o segundo fluxo de mistura de fás 34 se torna ausente da câmara de fluxo
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12/21 e então, entre o tempo Ti e o tempo Ti + T2, o teor de fás na câmara de fluxo 30 alcança o teor de gás do segundo fluxo de mistura de gás 34.
[0052] Deve ser notado que nas FIGs. 4 e 5 o tempo para encher a câmara de fluxo 30 é negligenciado.
[0053] Então, pode ser considerado por simplificação que sucessivamente durante um período T1 a primeira mistura de gás 32 escoa na câmara de fluxo 30 em uma primeira direção, então durante um período T2 a segunda mistura de gás 34 escoa na câmara de fluxo 30 em uma segunda direção oposta à primeira direção, então a primeira mistura de gás 32 escoa de novo na câmara de fluxo 30 durante outro período T, e assim por diante. O período T1 pode ser considerado como igual ao período T2, e chamado T.
[0054] O teor gasoso da primeira mistura de gás 32 sendo diferente da segunda mistura de gás 34, a segunda mistura de gás 34 distribui a medição da característica do teor gasoso da primeira mistura de gás 32. Deve ser entendido que a primeira mistura de gás e a segunda mistura de gás podem ter os mesmos constituintes (pelo menos alguns constituintes idênticos) e apenas diferem na porcentagem de alguns dos constituintes (em particular porcentagem de oxigênio, dióxido de carbono e vapor).
[0055] FIG. 6 apresenta três medições 42a, 42b, 42c fornecidas pelos sensores de oxigênio 42 tendo tempos de resposta diferentes Tr para o exemplo descrito acima. As medições 42a, 42b, 42c correspondem aos sensores de oxigênio tendo um tempo de resposta respectivamente igual a T/10, T/2 e 2T.
[0056] Parece que o sensor de oxigênio fornecendo medições 42a, 42b são adequadas para o presente exemplo. Entretanto, quando o sensor de direção de fluxo 38 detecta o gás de expiração 64, o sensor de oxigênio 42 determina a pressão parcial (ou porcentagem) de oxigênio no gás de expiração 64 e reciprocamente quando o sensor de direção de fluxo 38 detecta o gás respiratório 62, o sensor de oxigênio 42 determina a pressão parcial (ou porcentagem) de oxigênio no gás respiratório 62. Entretanto, o sensor de oxigênio 42 fornece o dispositivo de controle 60 com a pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64 e com a pressão parcial de oxigênio no
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13/21 gás respiratório 62. Conforme o sensor de altitude da cabine 71 fornece o dispositivo de controle 60 com a pressão barométrica (pressão total na cabine 10), o dispositivo de controle 60 determina a fração de oxigênio no gás respiratório, desde que a pressão parcial de oxigênio no gás respiratório seja igual ao produto da pressão barométrica e a fração d oxigênio no gás respiratório.
[0057] O sensor de oxigênio fornecendo medição 42c não é apropriado. Então, o tempo de resposta mais curto do sensor de gás é, quanto mais precisa a medição for. Mas, um sensor de gás com um tempo de resposta curto é geralmente mais caro que um sensor com um tempo de resposta grande, e algumas vezes um sensor de gás com um tempo de resposta satisfazendo um pedido particular não existe.
[0058] FIG. 7 representa uma segunda modalidade de um dispositivo de detecção 100 de acordo com a invenção. O dispositivo de detecção 100 compreende um sensor de direção de fluxo 38, uma comporta 50, um dispositivo de acionamento 51 e um sensor de oxigênio 42 colocado em uma câmara de detecção 40 em comunicação fluida com a câmara de fluxo 30 através de uma passagem 66. Um sensor de dióxido de carbono 68 pode ser colocado na câmara de detecção 40 ao invés do sensor de oxigênio 42 ou em adição ao sensor de oxigênio 42, de modo a determinar em particular pressão parcial (ou porcentagem) no dióxido de carbono do gás contido na câmara de detecção 40.
[0059] O sensor de direção de fluxo 38 e o sensor de oxigênio 42 são conectados ao dispositivo de controle 60. O sensor de direção de fluxo 30 detecta se a direção de fluxo na câmara de fluxo 30 corresponde à direção da primeira mistura de fluxo 32. Na variante, o sensor de direção de fluxo 38 pode detectar se a direção de fluxo na câmara de fluxo 30 corresponde à direção da segunda mistura de fluxo 34.
[0060] A comporta 50 é móvel entre uma posição ativa na qual ela fecha a passagem 66 e uma posição inativa na qual ela está longe da passagem 66.
[0061] O dispositivo de controle 60 controla o dispositivo de acionamento 51 de modo a colocar a comporta 50 na posição aberta quando o sensor de direção de fluxo 38 detecta o primeiro fluxo de gás 32, de modo que o primeiro fluxo de mistura de gás 32 (parcialmente) entra na câmara de detecção 40. Adicionalmente, o dispositivo de
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14/21 controle 60 controla o dispositivo de acionamento 51 de modo a colocar a comporta 50 na posição fechada quando o sensor de direção de fluxo 38 não detecta o primeiro fluxo de gás 32, de modo que o segundo fluxo de mistura de gás 34 é prevenido de entrar na câmara de detecção 40.
[0062] Portanto, a câmara de detecção 40 contém apenas mistura de gás do primeiro fluxo de mistura de gás 32 em qualquer tempo. Então, o sensor de oxigênio 42 transmite um sinal de diluição cuja precisão não é influenciada pelo segundo fluxo de mistura de gás 34. O dispositivo de controle 60 controla a válvula de diluição 24 de acordo com o sinal de diluição gerado pelo sensor de oxigênio 42.
[0063] O sensor de oxigênio 42 é adaptado para determinar em particular pressão parcial (ou porcentagem) de oxigênio de gás contido na câmara de detecção 40.
[0064] O sensor de direção de fluxo 38 inclui em particular um sensor de pressão, um sensor medidor de pressão, um sensor de pressão diferencial, termistâncias, um sensor de estado de uma válvula de retenção ou um dispositivo sensor piezo compreendendo uma folha flexível e detectando a direção da curvatura da folha flexível.
[0065] FIG. 8 representa uma terceira modalidade de um dispositivo de detecção 100 de acordo com a invenção.
[0066] Nesta terceira modalidade, a característica do constituinte gasoso para detectar está no gás respiratório 62, de modo que o primeiro fluxo de mistura de gás 32 é o fluxo de gás respiratório e o segundo fluxo de mistura de gás 34 é o fluxo de gás de expiração.
[0067] Uma válvula de isolamento 36 é inserida entre a linha de fornecimento de gás respiratório 16 e a câmara respiratória 9. O sensor de oxigênio 42, em conexão com o dispositivo de controle 60, é colocado na câmara respiratória 16 que forma a câmara de detecção 40. A válvula de isolamento 36 previne gás de entrar na câmara de detecção 16, 40 da câmara respiratória 9. Em uma modalidade alternativa, o sensor de direção de fluxo 38 pode detectar se a direção do fluxo na câmara de fluxo 30 corresponde à direção da segunda mistura de fluxo 34.
[0068] Na modalidade ilustrada, a válvula de isolamento 36 é uma válvula de
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15/21 retenção.
[0069] Em variante, pode ela pode ser uma válvula de inspiração semelhante à válvula de expiração 20.
[0070] FIG. 9 representa uma quarta modalidade de um dispositivo de detecção 100 de acordo com a invenção.
[0071] Nesta quarta modalidade, a característica do constituinte gasoso em detectar está no gás de expiração, de modo que o primeiro fluxo de mistura de gás 32 é o fluxo de gás de expiração 64 e o segundo fluxo de mistura de gás 34 é o fluxo de gás respiratório 62.
[0072] Uma válvula de isolamento 36 é inserida entre a câmara respiratória 9 e a linha de expiração 18. O sensor de oxigênio 42, em conexão com o dispositivo de controle 60, é colocado na linha de expiração 18 que forma a câmara de detecção 40. A válvula de isolamento 36 previne gás de entrar na câmara respiratória 9 da linha de expiração 18. O sensor de dióxido de carbono 68 pode ser colocado na câmara de detecção 40 ao invés do sensor de oxigênio 42 ou em adição ao sensor de oxigênio 42.
[0073] Na modalidade ilustrada, a válvula de isolamento 36 é uma válvula de retenção.
[0074] Em variante, pode ser uma válvula de inspiração semelhante à válvula de expiração 20.
[0075] FIG. 10 representa uma quinta modalidade de um dispositivo de detecção 100 de acordo com a invenção.
[0076] O sensor de oxigênio 42 compreende uma placa de bombeamento 44, um primeiro disco de condutor iônico sólido 45, uma placa comum 46, um segundo disco de condutor iônico sólido 47 e uma placa de detecção 48.
[0077] A placa de bombeamento 44, a placa comum 46 e a placa de detecção 48 são eletrodos preferencialmente feitos de filmes de platina.
[0078] A placa de bombeamento 44, a placa comum 46 e a placa de detecção 48 são de forma substancialmente anular. Entretanto, a câmara de detecção 40 é delimitada pela placa comum 46, o primeiro condutor iônico 45 e o segundo condutor
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16/21 iônico 47.
[0079] Uma fonte de corrente 38 é inserida entre a placa de bombeamento 44 e a placa comum 46. A placa comum 46 e a placa de detecção 48 são conectadas ao dispositivo de controle 60, bem como o sensor de direção de fluxo 38.
[0080] A placa de bombeamento 44, o primeiro condutor iônico sólido 45 e a placa comum 36 definem uma célula eletroquímica de bombeamento 56. A placa comum 46, o segundo condutor iônico 47 e a placa de detecção 48 definem uma célula eletroquímica de detecção 58.
[0081] Os condutores iônicos 45, 47 definem eletrólito sólido. Eles são preferencialmente feitos em dióxido de zircônio adequadamente adaptado para a condução dos íons de oxigênio O2.
[0082] O sensor de oxigênio 42 ainda compreende um filtro opcional 49 circundando a célula eletroquímica de bombeamento 56 e a célula eletroquímica de detecção 58. O filtro 49 previne partículas de entrar no sensor 42. Entretanto, o sensor de oxigênio 42 inclui uma câmara de tampão 41 estendendo entre a câmara de fluxo 30 e a célula eletroquímica de bombeamento 56 (e a célula eletroquímica de detecção 58).
[0083] O sensor de oxigênio 42 pode ser colocado tanto na câmara respiratória 9, na linha de fornecimento de gás respiratório 16 ou na linha de expiração 18, e de qualquer das primeira a quarta modalidades descritas acima.
[0084] Como ilustrado na FIG. 11, quando o fornecimento de energia elétrica 39 emite uma corrente de bombeamento i em um valor -Ip, íons de oxigênio são transportados através dos condutores iônicos 45 da câmara de detecção 40 para a câmara de tampão 41. Entretanto, uma fase de evacuação 28 corresponde a uma fase de corrente de bombeamento i igual a -Ip. Então, a pressão parcial no Oxigênio PO2 na câmara de detecção 40 diminui. A voltagem Vs entre a placa de detecção 48 e a placa comum, chamada voltagem Nerst, aumenta.
[0085] Quando o fornecimento de energia elétrica 39 emite uma corrente de bombeamento i em um valor -Ip, íons de oxigênio são transportados através do condutor iônico 45 da câmara de tampão 41 para a câmara de detecção 40.
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Entretanto, uma fase de pressurização 26 corresponde a uma fase de corrente de bombeamento i igual a -Ip. Então, a pressão parcial de oxigênio PO2 na câmara de detecção 40 aumenta e a voltagem Nerst Vs entre a placa de detecção 48 e a placa comum 46 aumenta.
[0086] Em operação, o dispositivo de controle 60 causa uma sequência repetitiva onde a corrente de bombeamento de oxigênio ] é sucessivamente reversa para manter a voltagem Nerst Vs entre valores predeterminados Vi, V2.
[0087] Entretanto, a pressão parcial de Oxigênio na câmara de detecção 40 varia entre dois valores de PO2baixo e PO2alto.
[0088] O período de oscilação Tp é proporcional à pressão parcial de oxigênio na câmara de tampão 41. Entretanto, período do ciclo de bombeamento é usado para determinar a pressão parcial de oxigênio ambiente.
[0089] O transporte de oxigênio através do condutor iônico 45 durante a fase de pressurização 26 cria uma queda de pressão na câmara de tampão 41. A baixa porosidade do filtro externo 49 limita a entrada de gás ambiente no sensor e é responsável pelo atraso principal (alto tempo de resposta) na medição da pressão parcial de oxigênio.
[0090] O tempo de resposta do sensor de oxigênio 42 gera um erro na medição da pressão parcial de oxigênio no primeiro fluxo de mistura de gás 32, devido ao segundo fluxo de mistura de gás 34.
[0091] Como mostrado na FIG. 12, de modo a limitar o erro na medição da pressão parcial de oxigênio no primeiro fluxo de mistura de gás 32, a direção do fluxo na câmara de fluxo 30 é detectada pelo sensor de direção de gás 38. Durante etapa S38, com base no sinal fornecido pelo sensor de direção de fluxo 38, o dispositivo de controle determina se o fluxo na câmara de fluxo 30 está na direção do primeiro fluxo de mistura de gás 32. Se sim, durante um período de medição 52, a fase de pressurização 26 e a fase de evacuação 28 respectivamente e alternativamente escoa uma para outra, como mostrado nas FIGs. 13 e 14. Se não, como mostrado na FIG. 13, durante um período sem medição 54, a pressurização da câmara de detecção 40 é parada, nenhuma fase de pressurização 26 ocorre durante o período sem medição
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54. Consequentemente, difusão do segundo fluxo de mistura de gás 34 no tampão de sensor de gás 41 é reduzida e a precisão de detecção do sensor de oxigênio 42 é melhorada. Por exemplo, o processo de medição de sensor de gás é ativo durante inspiração do usuário e parado durante expiração do usuário se a característica do componente aquoso a ser detectado está no gás respiratório.
[0092] Em uma variação mostrada na FIG. 14, durante o período sem medição 54, preferencialmente no início, uma fase de evacuação 28 é alcançada. Durante a fase de evacuação 28 do período sem medição 54, como mostrado na FIG. 14, a corrente de bombeamento i é preferencialmente menor que durante a fase de evacuação 28 do período de medição, p.ex. menor que -Ip. Entretanto, a fase de evacuação 28 do período de tempo sem medição 54 dura durante todo período sem medição 54 ou pelo menos mais que a metade do período sem medição 54.
[0093] Adicionalmente, o gás respiratório 62 e o gás de expiração 64 são preferencialmente sucessivamente (alternativamente) considerados como o primeiro fluxo de mistura de gás 32 e o segundo fluxo de mistura de gás de modo que a pressão parcial de oxigênio é sucessivamente medida no gás respiratório 62 e no gás de expiração 64.
[0094] Desde que a pressão parcial de oxigênio no gás respiratório seja igual ao produto da pressão barométrica detectada pelo sensor de altitude de cabine 71 e a fração de oxigênio no gás respiratório 62, o dispositivo de controle 60 determina a fração de oxigênio no gás respiratório 62 e a pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64.
[0095] A respeito da operação do regulador 1 usando o, o dispositivo de ajuste de diluição 24 ajusta a taxa de oxigênio no gás respiratório 62 de acordo com a pressão parcial de oxigênio PO2 ou taxa de oxigênio no gás de expiração 64, detectado pelo sensor de oxigênio 42 de um dos dispositivos de detecção 100 acima descritos.
[0096] Deve ser notado que os sensores de oxigênio atualmente disponíveis podem fornecer diretamente tanto a pressão parcial de oxigênio ou a taxa de oxigênio, e essa pressão parcial de oxigênio PO2 é igual à taxa de oxigênio multiplicada pela pressão barométrica detectada pelo sensor de altitude de cabine 71.
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19/21 [0097] A válvula de diluição 23 é preferencialmente controlada no laço fechado com um controlador Proportional Integral Derivate (PID) incluído no dispositivo de controle 60, de modo a ajustar a pressão parcial de oxigênio PO2 no gás de expiração 64 detectado pelo sensor de oxigênio 42 de acordo com a altitude de cabine detectada pelo sensor de altitude de cabine 71, opcionalmente de acordo com a altitude da aeronave detectada pelo sensor de altitude de aeronave 72 e preferencialmente de acordo com a pressão parcial de dióxido de carbono PCO2 no gás de expiração 64 detectado pelo sensor de dióxido de carbono 68. Preferencialmente, a taxa de oxigênio no gás respiratório 62 tem que ser aumentada quando a pressão parcial de dióxido de carbono PCO2 no gás de expiração 64 diminui sob um determinado limite. [0098] A medição da pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64 dá uma estimativa bastante confiável da pressão parcial de oxigênio no alvéolo PaO2. Este parâmetro fisiológico que expressa a pressão parcial de oxigênio no pulmão é próximo à pressão parcial no sangue arterial PaO2 quando a altitude da cabine é alta.
[0099] Uso de PaO2 para ajustar a taxa de oxigênio no gás respiratório 62 controlando a válvula de diluição leva em conta a fisiologia do usuário que pode diferir entre usuários. Isto permite uma entrega mais precisa de oxigênio de acordo com a necessidade fisiológica e restrições de regulação. Então, o risco de hipoxia do ocupante da aeronave (em particular piloto ou membro da tripulação) e consumo de oxigênio pode ser reduzido.
[0100] Adicionalmente o teor de gás respiratório entregue pelo dispositivo de diluição 24, 38, 42, 60 é diluído dentro da capacidade do pulmão. Como o PAO2 é uma variável “lenta” necessitando vários ciclos de respiração antes de mudar, a dinâmica do dispositivo de ajuste de diluição 24, 38, 42, 60 usando um controle de laço fechado pode ser muito lento (em torno de 0,1 Hz). Consequentemente isto irá simplificar válvula de diluição 23 e o sensor de oxigênio 42.
[0101] O dispositivo de ajuste 24 e em particular válvula de diluição pode ser vantajosamente substituído por pelo menos mais um dispositivo de ajuste sofisticado tal como divulgado no pedido de patente PCT/IB2011/000772 incorporado aqui por referência.
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20/21 [0102] De outra forma, o dispositivo de controle determina coerência entre a fração de oxigênio no gás respiratório 62 e a pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64. Como mencionado acima o dispositivo de controle 60 determina a fração de oxigênio no gás respiratório 62 e a pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64. Mais ainda, a fração de oxigênio no gás respiratório 62 e a pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64 são ligados pela seguinte equação de gás alveolar:
pa o2 (PB-pa h2o)-pa co2 (f, o2 + x~f,°^
K ’com
PaO2 é a pressão parcial de oxigênio no gás alveolar
Pb é a pressão barométrica na cabine 10 da aeronave
PaCO2 é a pressão parcial do dióxido de carbono no gás de expiração
PaH2O é a pressão parcial da água no gás de expiração
F1O2 é a taxa de oxigênio no gás respiratório 62
R é uma constante correspondendo ao quociente respiratório.
[0103] A pressão parcial de oxigênio no gás alveolar pode ser aproximada à pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64.
[0104] A pressão parcial de dióxido de carbono PaCO2 no gás de expiração 64 é preferencialmente detectada pelo sensor de dióxido de carbono 68. De outro modo, a pressão parcial de dióxido de carbono PaCO2 pode ser substituída por uma constante próxima à 53 hPa, como é geralmente próxima a este valor.
[0105] A pressão parcial de água PaFEO está no gás de expiração 64 pode ser substituída por uma constante próxima à 63 hPa na temperatura do gás alveolar (estimada em 37° C).
[0106] R pode ser estimado entre 0,1 e 1,2, preferencialmente próximo a 0,83 em condições normais.
[0107] Então, a equação do gás alveolar pode ser simplificada em uma seguinte equação de coerência:
PaO2 = F|O2 . (Pb - Ki) - PACO2 . (F,O2 + (1 - F,O2) / K2),
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21/21 com Κι, K2 e Κ3 constantes ou ainda simplificado em:
PAO2 = F|O2 . (PB - M - K3 . (F|O2 + (1 - F,O2) / K2).
[0108] Falha é determinada por comparação com uma faixa de valor com uma fração entre o valor medido e o valor estimado (pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64 ou a taxa de oxigênio no gás respiratório 62) pela equação de coerência. No caso de falha determinada um alarme de aviso é ativado.
[0109] Uma verificação de consistência de dados em tempo real monitorando os elementos do dispositivo de ajuste de diluição 24 é então realizada. Esta verificação é mais precisa e mais confiável que verificação usual consistindo em um alarme de faixa no sensor de oxigênio para monitorar falha no processo de regulação. De fato, com verificação usual se a fração entre a pressão real e a pressão detectada pode ser alta antes de ser detectada.
[0110] Preferencialmente, a pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64 é detectada com o mesmo sensor de gás (oxigênio) 42 como o sensor de oxigênio 42 que permite o dispositivo de controle 60 determinar a taxa de oxigênio no gás respiratório 62 detectando a pressão parcial de oxigênio no gás respiratório 62.
[0111] De fato, se uma falha ocorrer com relação ao sensor de oxigênio 42, desde que exista uma fração substancialmente longe de 1 entre a pressão parcial de oxigênio no gás respiratório 62 e a pressão parcial de oxigênio no gás de expiração 64, e desde que a equação de coerência acima não seja linear, a falha do sensor de oxigênio 42 deve ser detectada.
Claims (9)
- REIVINDICAÇÕES1. Método para proteger ocupante de aeronave compreendendo as etapas de:- prover um usuário (7) com uma máscara de respiração (4) para ocupante de aeronave,- prover um gás respiratório (62) incluindo uma mistura de gás respirável e gás de diluição ao usuário (7),- detectar pressão parcial (PO2) ou taxa de oxigênio (F1O2) no gás respiratório (62),- ajustar (60) a taxa (fração/porcentagem/concentração) de oxigênio (ou gás respirável) no gás respiratório (62), o método sendo caracterizado pelo fato de que ainda compreende:- detectar pressão parcial (PaO2) ou taxa de oxigênio no gás de expiração (64) gerado pelo usuário (7),- detectar pressão barométrica (71) na aeronave, e • determinar coerência entre a pressão parcial ou taxa de oxigênio detectada no gás de expiração (64) e a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório (62) detectada para verificar falha de acordo com uma equação de coerência incluindo:• a pressão parcial ou taxa de oxigênio detectada no gás de expiração (64), • a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório (64), e • a pressão barométrica (Pb).
- 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende:- ajustar (60) a taxa de oxigênio no gás respiratório (62) de acordo com a pressão parcial ou taxa de oxigênio ou dióxido de carbono no gás de expiração (64).
- 3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende:- detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio em gás de expiração (64)Petição 870190119514, de 18/11/2019, pág. 50/582/3 gerado pelo usuário (7),- ajustar (60) a taxa de oxigênio no fluxo respiratório (62) de acordo com a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás de expiração (64).
- 4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende:- detectar pressão parcial ou taxa de oxigênio e dióxido de carbono em gás de expiração (64) gerado pelo usuário (7),- ajustar (60) a taxa de oxigênio no fluxo respiratório (62) de acordo com a pressão parcial ou taxa de oxigênio e dióxido de carbono no gás de expiração (64).
- 5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita equação de coerência é:PaO2 = FiO2 • (Pb - PaH2O) - PaCO2 . (F1O2 + (1 - F1O2) / R), ondePaO2 é a pressão parcial de oxigênio detectada no gás de expiração (64)PB é a pressão barométrica na aeronavePaCO2 é a pressão parcial de dióxido de carbono no gás de expiração ePaH2O é a pressão parcial de água no gás de expiraçãoF1O2 é a taxa de oxigênio ou a pressão parcial de oxigênio detectada no gás respiratório (62)R é uma constante entre 0,1 e 1,2 correspondendo ao quociente respiratório.
- 6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que ainda compreende:- detectar a pressão parcial de dióxido de carbono no gás de expiração (64).
- 7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a pressão parcial de água no gás de expiração é substituída por uma constante.
- 8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a coerência é determinada por comparação de uma faixa de valores e uma razão entre o valor medido e o valor estimado pela equaçãoPetição 870190119514, de 18/11/2019, pág. 51/583/3 de coerência.
- 9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda detectar a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás de expiração (64) e a pressão parcial ou taxa de oxigênio no gás respiratório (64) detectado com um único sensor de gás (o mesmo) (42).
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