CN111315449A - 具有分阶段氧气富集加入的便携式循环呼吸系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于封闭式循环呼吸的便携式循环呼吸系统。为了在保证氧气浓度正确的情况下使循环呼吸模式期间的氧气消耗最小化，经由至少三个单独的氧气供应阀51、52、53，采用分阶段加入氧气而将氧气加入到该呼吸通路中。前两个氧气供应阀是经校准的喷嘴，其中一个喷嘴51在正常呼吸期间不断输送预定量的氧气，并且第二个喷嘴52在待治疗者呼吸沉重时以第二预定量加入更多的氧气。第三个阀仅手动打开，并且输送很短的一段氧气在几秒内填充该循环呼吸系统及其呼吸袋。

Description

具有分阶段氧气富集加入的便携式循环呼吸系统
技术领域
本发明涉及一种具有加压氧气富集的便携式循环呼吸系统，所述便携式循环呼吸系统包括呼吸面罩、二氧化碳洗涤器、呼吸袋、以及经由软管连接至加压氧气源的氧气供应端口。
背景技术
周围的空气由约21％的氧气组成。每次吸入时，人体会抽取约5％单位的氧气，并且剩余16％的氧气会与CO2(约为呼出量的5％)一起再次呼出到大气。为了减少呼吸装备所需的氧气量并使得可以重复使用呼出的氧气，使用了也被称为循环呼吸器的封闭回路式呼吸设备。在循环呼吸器中，在洗涤材料中吸收所产生的CO2，最常见的是氢氧化钙或碱石灰。循环呼吸器还可以用于提供高氧气含量以用于医疗目的，而不会浪费大量氧气。
几种现有技术的系统提供了封闭式循环呼吸系统，以用于氧气耗尽的或有毒的环境。在那些系统中，最经常使用二氧化碳洗涤器以用于呼出气流，允许在吸入期间再次使用呼出的空气流。此类型的救援呼吸系统典型地用于矿工或被困在其他有毒烟雾区域的人。
此类型的救援呼吸系统中的一些系统还包括非加压氧气发生器，这些非加压氧气发生器可以通过将化学药品混合或使用特殊的可燃产氧蜡烛进行化学激活。使用氧气发生器，可以延长救援呼吸系统的操作时间，并将少量氧气加入到循环呼吸回路中，从而保持总呼吸量恒定。
这些循环呼吸系统的示例可以见于；
·GB 2189152，紧急逃生呼吸设备，在呼吸面罩中具有单向阀，使用覆盖整个头部的连接至O2罐的呼吸袋以及CO2洗涤过滤器。
·GB 2233905；紧急逃生呼吸设备，在呼吸面罩中具有单向阀，使用覆盖整个头部的呼吸袋以及既能洗涤CO2又能产生O2的过滤器。
·US 5113854，具有CO2洗涤的防护兜帽以及向兜帽供应氧气的气瓶。
·US 2011/0277768，具有防止经由洗涤器吸入的阀的防护兜帽以及向兜帽供应氧气的气瓶。
仍然提出了许多循环呼吸系统，例如
·US 4205673(1980)，具有可燃产氧蜡烛；
·US 4172454(1979)，具有完整的防护服；
·US 4246229(1981)，具有化学氧气发生器；
·US 4817597(1989)，在呼吸袋上具有散热通道；
·US 5267558(1993)，化学氧气发生器，具有穿过洗涤器的流动分配器；
·US 2014/0014098；具有可视的缺氧指示器
还已经提出了循环呼吸系统以用于对肺活量降低或血氧饱和度低的人进行可控治疗。在这种情况下，所寻求的吸入气流中的氧气含量也会增加，有时从环境空气中正常的21％的O2含量上升并且直到100％的O2含量。
救援车辆经常配备有大型氧气罐，这些大型氧气罐可以将纯氧供应到呼吸面罩中或供应到施用到鼻孔中的喷嘴中。问题在于氧气消耗迅速，并且大部分氧气在呼出期间被浪费了。另一个问题是系统的总重量，这会给救援人员造成压力，并可能在实际现场情况下妨碍迅速施用到患者身上。
通常，已经从大型加压氧气瓶中将氧气在加压至200-300巴的负载状态下直接供应到覆盖嘴和鼻的呼吸面罩中、或者经由喷嘴直接进入鼻孔中。然而，所供应的氧气中的很大一部分已经被浪费了。
为在氧气耗尽的环境中进行救援而开发的大多数循环呼吸系统无法用于增强氧气治疗，所以救援人员需要携带笨重且沉重的氧气罐，这些氧气罐在当时通常只能连接到一个人。
在瑞典，迪斯科舞厅发生大火后，近百名年轻人获救、但肺部受到了烟熏影响，显然需要使用许多小型循环呼吸系统以用于增强氧气治疗。即使有十倍的救护车到达事故现场，也只有十倍的人得到增氧治疗的救助。这是因为每辆救援车只有一个笨重的氧气罐以及一个具有单个接口的连接器。
WO 2014/035330公开了一种用于将氧气供应扩展到循环呼吸回路的循环呼吸系统。如WO 2014/035330中所披露的，详细描述了这种循环呼吸系统的必要性和使用。在此循环呼吸系统中，当外部氧气源的压力下降时，使用单个双向阀来切断呼吸通路。
SE 1730011-2披露了WO 2014/035330的进一步的发展，所改进的功能使得可以在随后的吸入中吸入的所呼出的富含CO2的空气的死体积最小化。一旦呼出气流已经穿过在管嘴附近的三阀座中的一个阀，直到这个呼出体积已经穿过二氧化碳洗涤器后才可以再次吸入富含CO2的空气。
发明内容
本发明是循环呼吸器的进一步的发展，使得它们更加可靠地输送目标富氧，同时延长了一个连接至氧气源的循环呼吸器的操作时间。进一步，该循环呼吸器必须易于应用和激活，并且必须直观地激活，使得在使用可用氧气时可以获得最长的可能的治疗时间。
本发明是一种用于封闭式循环呼吸的便携式循环呼吸系统，该便携式循环呼吸系统包括
呼吸面罩，
公共阀壳体，该公共阀壳体通过面罩连接器连接至该呼吸面罩；
二氧化碳洗涤器，该二氧化碳洗涤器通过洗涤器连接器连接至该公共阀壳体；
呼吸袋，该呼吸袋通过呼吸袋连接器连接至该二氧化碳洗涤器；
布置在该公共阀壳体中的氧气供应端口和至少一个环境空气端口；
加压氧气源，该加压氧气源经由软管连接至该氧气供应端口。
根据本发明，该氧气供应端口与至少三个氧气供应阀处于连通，并且所有氧气供应阀的出口均通入该公共阀壳体中的吸入气流通路中。该第一氧气供应阀是恒定流速喷嘴阀，当连接该加压氧气源时以第一流速将氧气输送穿过小限流部。该第二氧气供应阀是恒定流速喷嘴阀，当吸入过量时以等于或超过该第一流速的第二流速将氧气输送穿过小限流部。该第三氧气供应阀是喷嘴阀，当按下公共阀壳体中的手动激活按钮时以超过该第一流速至少40倍的第三流速将氧气输送穿过限流部。
这种通过单独的喷嘴在三个不同阶段中分阶段加入氧气的循环呼吸系统的总体设计，将在正常呼吸频率下所建立的循环呼吸期间来建立较低的但充足的氧气消耗，并且在待治疗者由于医疗原因或体力劳动而呼吸更重的情况下会自动富集。通过手动按下按钮所激活的处于更大速率下的第三种不同的加入，允许救援人员迅速为循环呼吸器填充氧气以便在启动时建立循环呼吸系统，以及允许待治疗者暂时增加氧气。
根据优选实施例，该氧气供应端口还与该公共阀壳体中的截止阀处于连通，当在该氧气供应端口中施加氧气压力时关闭通向该环境端口的替代性呼吸通路，并且当没有在该氧气供应端口中施加氧气压力时打开连接至该环境空气端口的替代性呼吸通路。
这样使该救援人员能够在激活氧气供应之前将该呼吸面罩施用到待治疗者的脸上，同时允许待治疗者经由替代性呼吸通路继续呼吸，直到打开氧气的那一刻。
进一步，根据又一个优选实施例，柔性膜被布置作为该吸入气流通路中的壁，从而当该吸入气流通路中的流速超过预定水平时允许偏转到该吸入气流通路中。偏转膜可以用于激活第二氧气供应阀，取决于使膜上的压力自动降低的增加的呼吸。由于过度呼吸，因此可以激活第二阶段的氧气加入。
在又一个优选实施例中，该公共阀壳体具有圆柱形的形式，并且该膜是圆柱形柔性盘，其周边被布置成固定并密封到该圆柱形公共阀壳体的内部，该膜的一侧暴露于狭窄的流动路径中的吸入气流通路，该狭窄流动路径使流动速度局部增加并因此在该膜的暴露侧产生较低压力。
当该吸入气流通路中的流速超过该预定水平时，该柔性膜可以使枢轴杆偏转，并且该枢轴杆的所述偏转使该第二氧气供应阀打开。如果该膜的杆长小于该阀的位于枢轴杆的枢轴点的另一侧的杆长，则这样的枢轴杆可以用于使第二氧气供应阀的打开运动与该膜的较小的偏转运动相比增加。
在另一个优选实施例中，还能够通过手动激活按钮来使该柔性膜偏转，该按钮在被按下时使该枢轴杆进一步完全偏转，使得该枢轴杆的附加偏转还使该第三氧气供应阀打开。由于相同的膜运动和杆依次激活两个附加阀、并且无需包括特殊的手动激活器，因此简化了该阀的调节设计。
在一个优选实施例中，该第一氧气供应阀是恒定流速喷嘴阀，穿过该喷嘴的校准孔以每分钟0.5-1.5升氧气的速率来输送恒定气流。这些恒定流速喷嘴可以容易地在市场上以低成本购买，但在具有相同标称容量的单个喷嘴之间变化很小。
因此，该第二氧气供应阀可以是恒定流速喷嘴阀，穿过该喷嘴的校准孔以每分钟1.0-2.0升氧气的速率来输送恒定气流。
在另一个实施例中，该第三氧气供应阀是当打开时以每分钟10-100升氧气的速率来输送恒定气流的限流部。该第三氧气供应阀优选地以每分钟50-70升氧气的速率来输送恒定气流，并能够在3秒内填充该系统和膨胀呼吸袋。因此，很短的一段氧气可以填充整个循环呼吸系统，从而使得可以在高氧气浓度下开始循环呼吸。
附图说明
当结合所附示意性附图时将更容易理解本发明的前述方面和优点，因为其通过参考以下详细描述变得更好理解，在附图中：
图1a示出了根据本发明的循环呼吸系统的第一示意性实施例的剖面侧视图，在此处于吸入阶段期间；
图1b示出了与图1a相同的侧视图，但是在此处于呼出阶段期间；
图2a示出了在本发明的一个实施例中使用的阀座构件的剖面的平面图及侧视图；
图2b示出了与图2a相同的视图，但是具有附接的阀构件并且直接呼吸到大气；
图2c示出了与图2b相同的视图，但是在呼出阶段期间处于循环呼吸模式；
图2d示出了与图2b相同的视图，但是在吸入阶段期间处于循环呼吸模式；
图3a示出了在正常呼吸期间公共阀壳体的第一示意性实施例的剖面侧视图；
图3b示出了与图3a相同的视图，但是处于过度呼吸期间；
图3c示出与图3b相同的视图，但是处于最大程度地激活手动激活按钮期间；
图3d示出了与图3a-3c相同的视图，但是在直接呼吸到大气时没有施加氧气压力；
图3e是恒定流速喷嘴阀的示例；
图4a-4c示出了在图3d中使用的替代性呼吸通路，没有施加氧气压力；
图5示出了本发明的实施例的完整原型。
然而，应当强调的是，这些附图仅将本发明的概念可视化，如在二维附图中所呈现的。例如，一些通道不仅可以采用按所示的二维方式选择路线，而且可以按三维方式选择路线，从而充分利用公共阀壳体的总体积。加压氧气源可以是医院中的气瓶或氧气出口。
具体实施方式
在图1a中，示出了根据本发明的循环呼吸系统的第一示意性实施例的剖面侧视图，在此处于吸入阶段期间。使用带有双流线的箭头示出了穿过循环呼吸器的吸入气流。
循环呼吸器具有呼吸面罩4，该呼吸面罩要施用在待治疗者的嘴和鼻子上，所述面罩典型地由例如硅橡胶等柔性橡胶材料制成。
呼吸面罩4进而通过面罩连接器4a连接至生物过滤器6，该面罩连接器通过压配合而紧扣在生物过滤器的全等圆形连接器上。生物过滤器通过类似的连接方式连接至公共阀壳体X。生物过滤器用于避免生物材料侵入，例如待治疗者的呕吐物以及细菌。在使用之后，可以更换生物过滤器，并且未被污染的循环呼吸套件可以用于另一个人，而无需对公共阀壳体进行灭菌。
公共阀壳体X具有吸入气流通路10和呼出气流通路20。如果在图1a中吸入阶段要开始，则是呼吸袋2充气，并且在吸入阶段期间，从呼吸袋2中抽取呼吸空气、穿过二氧化碳洗涤器3、并进一步经过公共阀壳体X中的膜55。此后，吸入气流转向90度进入通道10，并经过第一单向止回阀11。止回阀11典型地由橡胶制成，并且可以具有如菱形或圆形等任何合适的形式。呼吸袋2简单地是由聚合材料制成的柔性袋，并且通过呼吸袋连接器2a以与用于呼吸面罩的连接器4a相同的方式附接至二氧化碳洗涤器。呼吸袋2在呼出期间在方向E上膨胀，并且在吸入期间在方向I上收缩。二氧化碳洗涤器填充有典型地呈粉末形式的任何结合CO2的活性材料，在两端均具有扩散器3b。二氧化碳洗涤器的上端还配备有细筛网过滤器3c，该细筛网过滤器防止洗涤器材料进入公共阀壳体。
公共阀壳体X还配备有氧气供应端口5和手动激活按钮54，这将在后面进行详细描述。
在图1b中，示出了根据本发明的循环呼吸系统的第一示意性实施例的剖面侧视图，在此处于呼出阶段期间。使用具有双流线的箭头示出了穿过循环呼吸器的呼出气流。与图1所示的流动模式相反，是呼出气流使第二单向止回阀21打开通入呼出气流通路20，同时在呼出期间的压力增加使第一单向止回阀11关闭。使呼出气流转向穿过二氧化碳洗涤器3并最终到达呼吸袋2。
在图2a至图2d中，示意性示出了在呼吸的不同阶段期间的阀座构件8和相关联的阀。图2a仅示出了阀座构件8的剖面的平面图及侧视图。阀座构件具有用于替代性呼吸通路7的在没有激活加氧时打开的第一开口、用于吸入气流通路10的开口、以及用于呼出气流通路20的开口。在本实施例中，吸入通路和呼出通路具有菱形的形式，当公共阀壳体具有管状形式时能够在这些通路中实现最大流动面积，但这些通路同样可以是圆形的。图2b示出了与图2a相同的视图，但是阀构件被附接在替代性呼吸通路7中并且直接呼吸到大气。只要没有连接氧气压力，则截止阀7a是打开的，并且单向止回阀21由于在阀21上没有积聚压力而是关闭的。图2c示出了与图2b相同的视图，但是在呼出阶段期间处于循环呼吸模式。当要激活循环呼吸时，简单地在截止阀上施加氧气压力(如灰色箭头所指示的)，然后在单向止回阀21上压力积聚并使单向止回阀开向呼出气流通路。图2d示出了与图2b相同的视图，但是在吸入阶段期间处于循环呼吸模式，然后在单向止回阀11上压力下降并将开向吸入气流通路。
将参考图3a至图3d更详细地描述公共阀壳体X的功能。为了简化，示意性剖面被绘制为穿过吸入气流通路10和呼出气流通路20，尽管它们可能位于如图2a所示的4点钟位置和8点钟位置。
图3a示出了在具有氧气加入的激活循环呼吸期间公共阀壳体的第一示意性实施例的在此示意性剖面的侧视图。使用经由公共阀壳体X中的氧气供应端口5而加入的任何选定压力的氧气来对压力室5c加压。
典型地，使用氧气源与公共阀壳体X之间的任何标准压力调节器，将压力室中的压力调节至4巴的水平。此压力室与以下各部件处于直接连通；
第一氧气供应阀51，
第二氧气供应阀52，
第三氧气供应阀53，以及
连接至弹簧偏压截止阀7a的活塞。
如图3a所示，在正常呼吸期间，仅第一氧气供应阀51是打开的。当已经连接到氧气源时，此第一氧气供应阀以每分钟约0.5-1.5升氧气的恒定流速来输送恒流氧气。典型地，每分钟1升氧气完全足以代替成年人正常呼吸时呼出的空气中的CO2的量。第一氧气供应阀51是具有校准孔的恒定流速喷嘴阀，该恒定流速喷嘴阀可以使用标准喷嘴，并且如果需要可以更换。然而，这种经校准的喷嘴保证了高效使用可用氧气，以实现最大使用时间和最小消耗。
图3b示出了与图3a相同的视图，但是处于过度呼吸期间。在此状态下，受治疗者最常见换气过度。吸入空气的流动增加，并且导致柔性膜55上的压降，使得柔性膜偏转到如图3b所示的位置55x。膜上的通路可以优选地被设计成使空气经过的速度增加的狭窄喉部，并且这样增加了压降。在此偏转期间，柔性膜55围绕枢轴点56a并抵靠枢轴弹簧56b来推动枢轴杆56。当该偏转推动枢轴杆56时，第二氧气供应阀52也被打开。当已经连接到氧气源时，此第二氧气供应阀以每分钟约1-2升氧气的恒定流速来输送恒流氧气。典型地，所添加的每分钟1升的氧气完全足以代替成年人换气过度时呼出的空气中的CO2的量。第二氧气供应阀52也是具有校准孔的恒定流速喷嘴阀，该恒定流速喷嘴阀可以使用标准喷嘴，并且如果需要可以更换。然而，这种经校准的喷嘴确保了高效使用可用氧气，以实现最大使用时间和最小消耗量，并且仅在换气过度期间是打开的。
图3c示出了与图3b相同的视图，但是处于最大程度地激活手动激活按钮54期间。在此，在图1a所示的激活按钮上仅示出了杆54a。仅当要启动循环呼吸器时才手动激活此状态，并且将激活器按钮按到底部会在几秒内填充呼吸袋。这样将设置循环呼吸器的启动条件，并且待治疗者将被供给纯氧以实现最大帮助，并且将被在二氧化碳洗涤器中捕集所有呼出的CO2。当按钮被按到底部时，柔性膜55的附加偏转围绕枢轴点56a并抵靠枢轴弹簧56b进一步推动枢轴杆56。当附加偏转推动枢轴杆56时，第三氧气供应阀53也被打开。当已经连接到氧气源时，此第三氧气供应阀以每分钟约10-100升、优选地50-70升氧气的恒定流速来输送恒流氧气。第三氧气供应阀53可以是能够在1-3秒内填充系统和膨胀呼吸袋的具有限流间隙的更简单的非校准阀。
图3d示出了与图3a-3c相同的视图，但是在直接呼吸到大气时没有施加氧气压力。因为在压力室5c中没有建立压力，所以所有的氧气供应阀都处于闲置状态。截止阀7a由复位弹簧构件打开，从而允许建立到达环境空气室7c的替代性呼吸通路。
图3e示出了恒定流速喷嘴阀的示例，该恒定流速喷嘴阀可以用作第一氧气供应阀51和/或用作第二氧气供应阀52。在此还示出了枢轴杆56(不与喷嘴51一起使用)，该枢轴杆可以关闭喷嘴并且还可以具有附接至枢轴杆的密封构件56s。喷嘴易于更换，因为它们是通过螺纹安装的并且是大批量制造的，具有针对任何特定供应压力的经校准的流动能力。
图4a-4c示出了图3d中使用的没有施加的氧气压力的替代性呼吸通路。在图4a中示出了阀座构件8的平面图，具有截止阀7a以及以假想线示出的环境空气室7c的轮廓。图4b示出了穿过环境空气室的替代性呼吸通路7，该替代性呼吸通路最终止于如图4c所示的多个出口7b。
最后，在图5中示出了本发明的实施例的完整原型。在此所示的循环呼吸单元连接至呈小型压力气瓶形式的氧气源O2。标准压力调节器5d经由压力软管5a连接至公共阀壳体X。小型管状公共阀壳体X包含所有必需的阀，其中管状二氧化碳洗涤器3正交连接至公共阀壳体。选择管状形式以允许使用一只手简单且稳定地操作循环呼吸器。

Claims (10)

1.一种用于封闭式循环呼吸的便携式循环呼吸系统，所述便携式循环呼吸系统包括
呼吸面罩(4)，
公共阀壳体(X)，该公共阀壳体通过面罩连接器连接至该呼吸面罩(4)；
二氧化碳洗涤器(3)，该二氧化碳洗涤器通过洗涤器连接器(3a)连接至该公共阀壳体(X)；
呼吸袋(2)，该呼吸袋通过呼吸袋连接器(2a)连接至该二氧化碳洗涤器(3/31)；
布置在该公共阀壳体中的氧气供应端口(5)和至少一个环境空气端口(7b)；
加压氧气源(O2)，该加压氧气源经由软管(5a)连接至该氧气供应端口(5)；其特征在于，
该氧气供应端口(5)与至少三个氧气供应阀(51、52、53)处于连通，并且所有氧气供应阀的出口均通入该公共阀壳体中的吸入气流通路(10)中；并且
该第一氧气供应阀(51)是恒定流速喷嘴阀，当连接该加压氧气源时以第一流速将氧气输送穿过小限流部，并且
该第二氧气供应阀(52)是恒定流速喷嘴阀，当吸入过量时以等于或超过该第一流速的第二流速将氧气输送穿过小限流部，并且
该第三氧气供应阀(53)是喷嘴阀，当按下公共阀壳体中的手动激活按钮(54)时以超过该第一流速至少40倍的第三流速将氧气输送穿过限流部。
2.根据权利要求1所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，该氧气供应端口与该公共阀壳体中的截止阀(7a)处于连通，当在该氧气供应端口中施加氧气压力时关闭通向该环境端口(7b)的替代性呼吸通路，并且当没有在该氧气供应端口中施加氧气压力时打开连接至该环境空气端口(7b)的替代性呼吸通路。
3.根据权利要求1所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，柔性膜(55)被布置作为该吸入气流通路(10)中的壁，从而当该吸入气流通路中的流速超过预定水平时允许偏转到该吸入气流通路(10)中。
4.根据权利要求3所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，该公共阀壳体(X)具有圆柱形的形式，并且该膜(55)是圆柱形柔性盘，其周边被布置成固定并密封到该圆柱形公共阀壳体的内部，该膜的一侧暴露于狭窄的流动路径中的吸入气流通路(10)，该狭窄流动路径使流动速度局部增加并因此在该膜的暴露侧产生较低压力。
5.根据权利要求3所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，当该吸入气流通路中的流速超过该预定水平时，该柔性膜(55)使枢轴杆(56)偏转，并且该枢轴杆的所述偏转使该第二氧气供应阀(52)打开。
6.根据权利要求5所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，还能够通过手动激活按钮来使该柔性膜偏转，该按钮在被按下时使该枢轴杆(56)进一步完全偏转，使得该枢轴杆的附加偏转还使该第三氧气供应阀打开。
7.根据权利要求1所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，该第一氧气供应阀(51)是恒定流速喷嘴阀，穿过该喷嘴的校准孔以每分钟0.5-1.5升氧气的速率来输送恒定气流。
8.根据权利要求1所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，该第二氧气供应阀(52)是恒定流速喷嘴阀，穿过该喷嘴的校准孔以每分钟1.0-2.0升氧气的速率来输送恒定气流。
9.根据权利要求1所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，该第三氧气供应阀(53)是当打开时以每分钟10-100升氧气的速率来输送恒定气流的限流部。
10.根据权利要求9所述的便携式循环呼吸系统；其特征在于，该第三氧气供应阀(53)以每分钟50-70升氧气的速率来输送恒定气流，并能够在3秒内填充该系统和膨胀呼吸袋。
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