CN115515688A - 循环呼吸器设备 - Google Patents

Abstract

用于为用户制备通风气体混合物的设备，包括：被配置为通过第一气体进口接收氧气的气体混合装置，所述气体混合装置进一步被配置为从人接收呼出气体；被配置为通过第二气体进口从气体混合装置接收呼出气体的储气库，其中所述储气库进一步被配置为通过第二气体进口向气体混合装置重新供应呼出气体；被配置为确定高度信息的高度传感器；被配置为从高度传感器接收高度信息且进一步被配置为基于接收的高度信息控制氧气通过第一气体进口的流动的控制系统；其中所述气体混合装置布置为将通过第一气体进口接收的氧气与通过第二气体进口接收的重新供应的呼出气体合并，以制备通风气体混合物。

Description

循环呼吸器设备

技术领域

本申请涉及用于向用户提供通风气体混合物的设备和方法。本发明还涉及用于通风的通风面罩或此类设备中的呼吸支持。

背景技术

每个人体都有其自己的典型氧饱和度值，它根据年龄、情况(如高度)和临床情况而变化。该值表示血液中含氧血红蛋白的比例，其进而给出呼吸和体内进行的氧气输送效率的指示。氧饱和度不足是由于环境中的氧分压对人类来说太低(例如在海拔10000英尺或3048米以上)和/或由于健康障碍造成的。通过用氧气给人通风可以减少氧饱和度不足的影响。

在通风方面，可以根据需要在气体混合物的21％至高达100％的正常浓度之间调节通常供应的通风空气中的氧气浓度。在通风过程中，纯氧通过供应管流入口罩中，并最终在使用面罩的人呼吸时到达鼻子和嘴。在一些情况下，使用插管系统将纯氧直接送入肺中。氧气供应通常储存在压力罐中，并经由一系列供应管与面罩连接。氧气供应罐通常又大又笨重，使得在需要便携式通风的医院患者或活动，如登山或跳伞的情况下很难运输。另外，由于气罐的尺寸，它们通常占用大量空间，这在空间非常昂贵的情况下是有问题的，例如飞行器通风。

特别地，关于航空，由于飞行器的空间和重量容量有限，氧气储备只能以货物或最大乘客数量为代价来增加。在客舱减压的情况下，为飞行器乘客和机组人员提供改善的通风的系统将导致飞行器上必须携带的氧气更少，从而降低飞行器的整体重量。携带更少量的氧气也会降低火灾风险，这与氧气的促火作用有关。

此外，关于航空，飞行器中紧急氧气供应的持续时间受到紧急氧气系统尺寸的限制，紧急氧气系统通常是化学或气态氧气储存系统。如前所述，由于紧急氧气系统的尺寸主要取决于飞行器的尺寸和重量限制，这实际上意味着紧急氧气系统的尺寸对飞行器的效率和燃料需求有直接影响。此外，由于现有的紧急氧气系统的持续时间是有限的，飞行器可以飞行的路线通常受到紧急氧气系统性能的限制(例如，不允许在大片高地上飞行)。这延长了路线长度和持续时间，并造成了更高的环境影响。

为用户提供一种改进的通风系统将是有利的，其解决了至少一些上述问题。

发明概述

根据第一方面，提供了用于为用户制备通风气体混合物的设备，包括：配置为通过第一气体进口接收氧气的气体混合装置，所述气体混合装置进一步配置为从人接收呼出气体；配置为通过第二气体进口从气体混合装置接收呼出气体的储气库，其中所述储气库进一步配置为通过第二气体进口向气体混合装置重新供应呼出气体；配置为确定高度信息的高度传感器；配置为从高度传感器接收高度信息且进一步配置为基于接收的高度信息控制氧气通过第一气体进口的流动的控制系统；其中所述气体混合装置布置为将通过第一气体进口接收的氧气与通过第二气体进口接收的重新供应的呼出气体合并，以制备通风气体混合物。

已经发现，用于通风的包括二氧化碳组分的气体混合物允许用户更有效地使用氧气。由于用户所需的氧气量根据用户的高度而变化，因此相应的额外二氧化碳组分根据高度而变化。

有利地，本文描述的设备和系统不是从长时间储存系统(例如二氧化碳化学发生器或加压的二氧化碳罐)将二氧化碳供应到呼吸面罩中，而是从用户自己呼出的呼吸中捕获并使用二氧化碳。由于消除了二氧化碳储存系统，这使得系统更简单且更不繁琐。此外，避免了对加压二氧化碳罐的需要，提供了一种具有减小尺寸和重量的更安全的系统。

高度传感器可以包括压力传感器。这提供了确定系统运行高度的简单方法。在一些实例中，压力传感器可以布置为确定环境空气的压力，并进一步配置为将环境空气压力传送到控制系统。在这种情况下，基于系统周围环境空气的压力来确定系统运行的高度。

在其他情况下，压力传感器可以布置为确定呼出气体的压力，并且进一步配置为将呼出气体压力传送到控制系统。在这种情况下，基于与用户呼吸有关的信息来确定系统运行的高度。在这种情况下，压力传感器可以位于气体混合装置内。这确保了压力传感器紧邻用户的嘴定位，从而提供了对用户呼出的呼吸压力的更准确的确定。

在其他开发中，压力传感器可以位于第一气体进口内。在这种情况下，压力传感器可以在用户呼气阶段期间当用户呼出的气体进入第一气体进口时确定用户呼出气体的压力。

在一些实例中，设备可以进一步包括氧气传感器。氧气传感器可以配置为确定储气库内的氧气分压，且进一步配置为将氧气分压传送至控制系统。控制系统随后可以配置为基于储气库中的氧气分压控制氧气通过第一气体进口的流动。

设备还可以包括二氧化碳传感器。二氧化碳传感器可以配置为确定储气库内的二氧化碳分压，且进一步配置为将二氧化碳分压传送至控制系统。控制系统随后可以配置为基于储气库中的二氧化碳分压控制氧气通过第一气体进口的流动。

应当注意，在第一替代配置中，设备可以包括氧气传感器和二氧化碳传感器。在第二替代配置中，设备可以包括氧气传感器和二氧化碳传感器。

使用至少一个附加传感器，即氧气传感器和/或二氧化碳传感器，允许控制系统基于特定用户特异性的信息，对供应到第一气体进口的氧气量进行进一步调整。这允许系统调整查找表、数据库或算法中可用的标准化数据，以满足相关用户的特定需求和要求。

在一些布置中，气体混合装置包括配置为接收环境空气的第三气体进口。在这种情况下，控制系统可以配置为基于接收的高度信息控制环境空气通过第三气体进口进入气体混合装置中的流动。这确保仅任何给定高度所需的环境空气量能够进入系统，从而确保制备的通风气体混合物对于该给定高度是最佳的。

在一些布置中，控制系统可以配置为基于二氧化碳分压控制环境空气通过第三气体进口进入气体混合装置中的流动。控制系统可以配置为基于氧气分压控制环境空气通过第三气体进口进入气体混合装置中的流动。因此，控制系统可以配置为基于接收的高度信息、二氧化碳分压、氧气分压或这些变量的任意组合中的至少一种，控制环境空气通过第三气体进口进入气体混合装置中的流动。

在一些实例中，控制系统可以配置为控制通过第一气体进口的氧气供应，使得氧气作为至少一个脉冲供应到气体混合装置。在这种情况下，每个呼吸周期可以包括单个氧气脉冲。可选地，控制系统可以配置为控制通过第一气体进口的氧气供应，使得氧气作为多个脉冲供应到气体混合装置。在这种情况下，每个呼吸周期可以包括两个或更多个氧气脉冲。至少一个脉冲或多个脉冲中的每一个可以包括预定量的氧气。这可以确保系统仅在需要时向气体混合装置供应氧气，从而产生更有效的供应系统。

在一些实例中，多个脉冲中的每个脉冲包括相同量的氧气。然而，在其他实例中，多个脉冲中的至少两个脉冲包括不同量的氧气。因此，控制系统配置为实时调节供应给第一气体进口的氧气量，从而产生更高效的系统，因为仅向第一气体进口供应任何给定时间所需的氧气量。

可选地，控制系统可以配置为通过第一气体进口控制氧气供应，使得作为连续的氧气流向气体混合装置供应氧气。在这种情况下，用户在其呼吸周期期间可以总是拥有他们可用的氧气供应。

控制系统可以是能够调节氧气通过第一气体进口的流动的任何组件。在一些实例中，控制系统是电气组件(例如，作为计算机系统的一部分的处理器)，其能够从高度传感器接收数据和/或信号，并向第一气体进口传送相应的信号以控制氧气的流动。在其他实例中，控制系统是机械组件(例如大气压力传感器)，其能够基于控制系统的机械运动来控制氧气通过第一气体进口的流动。

因此，在整个说明书中，控制系统是指基于高度传感器的机械或电气响应来控制氧气通过第一气体进口的流动的任何机械或电气组件。因此，在一些情况下，控制系统包括多个组件，例如，电气控制系统包括存储器和处理器。在其他情况下，控制系统包括单个组件，例如机械控制系统可以仅包括气压传感器。

通风气体混合物可以经由通风面罩输送。这提供了向佩戴者递送通风气体混合物的方便方式。在一些情况下，气体混合装置可以是通风面罩。通风面罩可以布置为由用户佩戴。在这种情况下，不需要额外的装置来向用户供应通风气体混合物。此外，这种布置确保了制备的通风气体混合物快速且有效地供应给用户，而不需要通过多个系统组件输送。

根据另一方面，提供了制备通风气体混合物的方法，包括以下步骤：通过第一气体进口向气体混合装置供应氧气；通过气体混合装置从人接收呼出气体；通过第二气体进口从气体混合装置向储气库供应呼出气体；通过第二气体进口从储气库向气体混合装置重新供应呼出气体；使用高度传感器确定气体混合装置的高度并将高度传送至控制系统；基于接收的高度，通过控制系统控制氧气通过第一气体进口的流动，以及通过气体混合装置将通过第一气体进口接收的氧气与通过第二气体进口接收的重新供应的呼出气体合并，以制备通风气体混合物。

在其他开发中，可以提供配置为向用户供应通风气体混合物的通风面罩，其包括：具有第一气体进口和空气出口的气体混合装置，所述气体混合装置配置为通过第一气体进口接收氧气，且进一步配置为从人接收呼出气体；配置为通过第二气体进口从气体混合装置接收呼出气体的储气库，其中所述储气库进一步配置为通过第二气体进口向气体混合装置重新供应呼出气体；配置为确定设备高度的高度传感器；配置为从高度传感器接收高度信息且进一步配置为基于接收的高度信息控制氧气通过第一气体进口的流动的控制系统；其中所述气体混合装置布置为将通过第一气体进口接收的氧气与通过第二气体进口接收的重新供应的呼出气体合并，以制备通风气体混合物，所述气体混合装置进一步配置为经由空气出口向用户供应通风气体混合物。

在一些布置中，可以将多个通风面罩与第一气体进口和/或控制系统连接。

在其他开发中，可以提供用于为用户制备通风气体混合物的设备，其包括：配置为通过第一气体进口接收氧气的气体混合装置，所述气体混合装置进一步配置为从人接收呼出气体；配置为通过第二气体进口从气体混合装置接收呼出气体的储气库，其中所述储气库进一步配置为通过第二气体进口向气体混合装置重新供应呼出气体；配置为确定压力信息的压力传感器；配置为从压力传感器接收压力信息且进一步配置为基于接收的压力信息控制氧气通过第一气体进口的流动的控制系统；其中所述气体混合装置布置为将通过第一气体进口接收的氧气与通过第二气体进口接收的重新供应的呼出气体合并，以制备通风气体混合物。

优选地，压力传感器配置为通过检测用户的呼吸特征来确定压力信息。呼吸特征可以是呼吸周期的至少一部分，例如吸气阶段和/或呼气阶段。更优选地，压力传感器配置为确定从人呼出的气体的压力。

在其他开发中，可以提供如上所述的设备、如上所述的通风面罩和/或如上所述的方法用于给飞行器中的人通风的用途。这涉及用于飞行员、机组人员和飞行器乘客的用途。

在其他开发中，可以提供设备、通风面罩和/或方法用于在高空活动期间给人通风的用途。在这种情况下，高空活动包括但不限于登山、延缓张伞跳伞和跳伞。设备、通风面罩和/或方法可用于军事应用，例如由军事人员在空中递送期间使用(包括但不限于空中负载大师和军事伞兵)。

在其他开发中，可以提供如上所述的设备、如上所述的通风面罩和/或如上所述的方法用于在医疗应用期间给人通风的用途。在此背景下，医疗应用包括但不限于医疗环境，如正在接受某种形式的医疗治疗如手术的医院中的人。

因此，本文所述的设备、系统和方法以及可用于设备、系统和方法中的通风面罩使得能够简单地制备可变组分的通风气体混合物，并提供有利的用途。

如将理解的，全文中明确的任何数值都是不精确的，并且可以包括数值的任一侧的小变化(诸如但不限于标准数学四舍五入惯例)，其带来与指定值相同的技术效果。

如将理解的，所有上述方面和开发可以以任何组合来组合在一起，并且它们可以彼此组合在一起使用。

附图的简要说明

本发明的特征和实际应用将仅通过实例的方式参考附图进行描述，其中：

图1是示例性通风设备的示意性图示；

图2是另一示例性通风设备的示意性图示；

图3是第三示例性通风设备的示意性图示。

图4是使用示例性通风设备的呼吸周期的吸气阶段的示意性图示；

图4a是使用另一示例性通风设备的呼吸周期的吸气阶段的示意性图示；

图5是使用示例性通风设备的呼吸周期的呼气阶段的示意性图示；并且

图5a是使用另一示例性通风设备的呼吸周期的呼气阶段的示意性图示。

发明详述

已经发现，添加到通风空气中的相对较少量的二氧化碳允许人体更好地吸收和利用通风期间供应的氧气。这可以通过将从用户呼出的含有二氧化碳的气体再周期回到通风设备中来实现，从而使其与所供应的氧气混合以产生最佳的通风气体混合物。

下面的描述将解释从用户的呼吸中呼出的二氧化碳如何可以被再次使用并与氧气混合以形成富含二氧化碳的通风气体混合物。

通常，将从用户呼出的呼吸中捕获的二氧化碳以按体积计在0％和16％之间的二氧化碳的量再周期回到通风系统中，以形成通风气体混合物。再周期回到通风气体混合物中的二氧化碳量取决于许多因素，包括需要使用通风气体的高度、氧气分压、系统性能要求(例如，系统组件的制造极限)和人体的生理要求。为了首先提高氧饱和度，然后保持令人满意的水平，可以确定所需的二氧化碳量和持续时间。然后将通风气体混合物传递至通风面罩，以供用户吸入。

图1显示了用于制备通风气体混合物的示例性系统2。系统2包括气体混合装置4，其通过第一气体进口6接收氧气并通过进气口8接收来自人的呼出气体。储气库10与气体混合装置10流体连通，使得呼出气体可以通过第二气体进口12从气体混合装置4流入储气库10中。系统还包括高度传感器14，其布置为确定系统2的高度。控制系统16连接到高度传感器14以便其能够接收和处理高度信息。控制系统连接到电源(未示出)，例如电池或主电源，基于接收的高度，控制系统16控制氧气通过第一气体进口6进入气体混合装置4中的流动，其中氧气流与通过第二气体进口12从储气库10重新供应的呼出气体合并，以制备通风气体混合物。

如图1所示，气体混合装置4为用户可佩戴的通风面罩41的形式。储气库10为再呼吸袋11的形式。在该实例中，储气库12被显示为直接偶联到气体混合装置4，其中第二气体进口12采用气体混合装置4的外壁和储气库10的外壁之间的孔或通孔13的形式。然而，在其他实例中，储气库10可以间接地偶联到气体混合装置4，其中第二气体进口12采用气体混合装置4的外壁中的出口和储气库10的外壁中的出口之间的气体管道或管子的形式。气体能够通过第二进气口12，在气体混合装置4和储气库10之间自由流动。

储气库10由任何不透气体的合适材料制成，例如聚氯乙烯(PVC)，以便储气库10能够接收和储存由系统2的用户接收的呼出气体。因为储气库10内包含的空气不能通过储气库10的壁或内表面逸出，在储气库10的壁内设置有也可以称为排气阀的单向阀18。如果储气库10内的压力由于用户长时间呼气进入储气库10中而变得太大，这允许空气从储气库10中逸出到周围环境中。在这种情况下，当储气库10内的压力低于某一阈值时，排气阀18处于关闭状态，从而将呼出气体储存在储气库10内，并防止被排放到周围环境中。一旦储气库10内的压力超过该阈值，排气阀18打开以允许过量空气从储气库10中逸出，从而防止储气库10由于高压而爆炸。

如上文提及的，氧气通过连接到氧气源20的第一气体进口6供应到气体混合装置4。如图1所示，氧气源20采用包含标称100％氧气的加压气罐21的形式。第一气体进口6包括压力调节器22，以控制从氧气源20经由第一气体进口6进入系统2的氧气的压力。这确保了与也由气体混合装置4接收的呼出气体相比，传送到气体混合装置4的氧气具有略高的压力，以允许在整个呼吸周期中流动。尽管图1显示了与氧气源20分开定位的压力调节器22，但在一些实例中，压力调节器22可以形成氧气源20的一部分。

除了压力调节器22之外，第一气体进口6还包括流量调节器24，其布置为控制氧气从氧气源20通过第一气体进口6进入气体混合装置4中的流动。流量调节器24能够维持由控制系统16确定和控制的预定流速。如图1所示，流量调节器24采用与控制系统16连通的阀25的形式。尽管示出为与氧气源20分开，但在一些情况下，流量调节器24可以形成氧气源20的一部分，例如加压氧气瓶上的阀。可选地，流量调节器24可以作为安装在控制系统的电路板上的组件形成控制系统16的一部分。

控制系统16打开和关闭流量调节器24，以基于系统2的高度调节允许流入系统2中的氧气量。不同的操作高度要求向气体混合装置4供应不同量的氧气，以保持用户将呼吸的通风气体混合物内的氧气分压。控制系统可以访问不同高度处所需氧气分压的数据库或查找表或算法，从而可以向系统2供应正确量的氧气。

因此，基于预定的系统性能和人体的典型性能及其在各种不同高度和操作条件下使用氧气的能力，使用通过测试获得的数据，该算法用于通告控制系统16的决策制定。

布置为确定系统2高度的高度传感器14采用压力传感器15的形式。在图1所示的实例中，压力传感器15与气体混合装置4连通，且布置为确定气体混合装置中的空气压力，尤其是接收的呼出气体的压力。尽管高度传感器14被示出为与气体混合装置4分离，但在一些情况下，高度传感器可以位于气体混合装置4内。例如，如果气体混合装置4是通风面罩，则高度传感器14可以是位于面罩内，并布置为确定用户呼出的呼吸的压力的压力传感器。在其他情况下，高度传感器14可以形成控制系统16的一部分，被容纳在控制系统16中的电路板内。

高度传感器14可以被认为布置为基于系统用户的呼吸特征来确定系统的高度。如关于图1所示实例所述的，高度传感器14确定用户呼出气体的压力。在这种情况下，呼吸特征是用户的呼吸周期。也就是说，高度传感器14布置为基于气体混合装置4中的压力变化来检测用户的吸气和呼气。

检测用户呼吸周期的能力，即检测用户何时吸气和呼气，使得控制系统16能够更有效地向气体混合装置供应氧气。这是因为可以控制氧气进入第一气体进口6中的流动，使得氧气在用户吸气时流入第一气体进口6中。虽然如果在呼气过程中允许氧气流入第一气体进口6中，系统仍将运行，但这种布置可能会导致用户导致一些供应的氧气沿着第一气体进口6流回，离开气体混合装置4并流回氧气供应源20。在这种情况下，所需的氧气将保持在第一气体进口6中，直到用户吸入。

与控制系统16连通的高度传感器14将确定的高度信息传送到控制系统16，控制系统16又可以基于算法内的数据来确定供应给系统2的正确的氧气量。因此，氧气通过第一气体进口6的流动被控制为高度的函数。

控制系统16可以布置为以多种不同的方式将氧气供应到系统2中。在第一种情况下，控制系统16可以布置为控制来自氧源20的氧气供应，使得进入第一气体进口6中的氧气流是连续的。在这种情况下，控制系统16调节流量调节器24，使其始终处于至少部分打开的位置，从而向气体混合装置4提供连续的氧气供应。如果需要更大的氧气供应，例如由于更高的高度，然后控制系统16调节流量调节器24，以允许更大量的氧气流动通过第一气体进口6。如果仅需要少量的氧气供应，例如由于高度较低，控制系统16调节流量调节器24，以允许更少量的氧气流动通过第一气体进口6。

在第二种情况下，控制系统16可以布置为控制来自氧气源20的氧气供应，使得进入第一气体进口6中的氧气流是脉冲的。在这种情况下，控制系统16调节流量调节器24，使得其在打开位置和关闭位置之间交替，从而以离散的间隔向气体混合装置4提供氧气供应。每个氧气脉冲之间的间隔可以是相同的，即每个间隔的时间长度是恒定的，或者至少一些间隔，在一些情况下所有间隔可以是不同的，即至少两个间隔的时间长度是不同的。

为了最佳效率，进入第一气体进口6中的氧气流可以是脉冲的，使得氧气仅在需要时被供应给用户。然而，非脉冲即连续供氧系统仍能提供优于现有系统的性能改进。

在使用过程中，当用户第一次吸气时，来自氧气源20的氧气被直接吸入到用户的肺中，如图4所示。当用户随后呼气时，从第一气体进口6流动的任何氧气以及用户呼出的呼吸都被送入储气库10中，如图5所示。在随后的吸气过程中，用户将从储气库10和第一气体进口6吸入空气，该空气已在气体混合装置4中合并以形成通风气体混合物。

上述系统2可以用于许多不同的领域，在需要向用户供应通风气体混合物的应用中。一些应用包括航空、登山、跳伞和医疗应用，例如在医院中。

虽然上面已经描述了一般系统，但是可以对系统进行许多修改，如下文将描述的。

如将理解的，用户的氧气需求将在用户之间变化，这取决于许多因素，包括年龄、性别、基本医疗条件等。不同高度的氧气需求的算法通常包括代表大部分普通人群，例如中年男性的数据。

为了更准确地确定用户的氧气需求(例如，婴儿可能比成年人需要更少的氧气)，系统可以包括额外的传感器26，其布置为向控制系统16提供关于系统2的额外信息。特别地，额外的传感器26可以包括氧气传感器28和二氧化碳传感器30，如图1所示。氧气传感器28和二氧化碳传感器30布置为分别检测系统2中的氧气和二氧化碳分压，并将该信息反馈给控制系统16。如图1所示，氧气传感器28和二氧化碳传感器30偶联到储气库10，并布置为检测储气库10内的氧气和二氧化碳分压。尽管这些额外的传感器26被示出为在储气库10外部并与其分离，但在一些情况下，额外的传感器26可位于储气库10内。

氧气和二氧化碳传感器28、30将测量用户呼出的呼吸中存在的氧气和二氧化碳的相对量。然后，该信息被发送到控制系统16，以便计算向第一气体进口4供应的最佳氧气量。也就是说，控制系统16将使用高度信息和数据库查找向用户供应的推荐氧气量。然后，基于从额外的传感器26接收到的信息来调节该推荐量，例如增加或减少。因此，使用额外的传感器26来调节系统2中的氧气供应，确保了基于每个用户的需要为其提供最佳的氧气量。此外，控制系统16能够基于用户的需求随时间变化而实时调节向用户供应的氧气。因此，额外的传感器26总体上提供了更有效的系统2。

如先前提及的，高度传感器14检测用户的呼吸特征，其被用于确定高度。类似地，系统2中存在的任何额外的传感器26，包括氧气传感器28和/或二氧化碳传感器30，也可以被认为是检测用户的呼吸特征。特别地，可以使用相应的氧气和二氧化碳传感器来监测储气库10中用户呼出气体的氧气和二氧化碳水平。这些气体的一个或多个数量的波动将指示用户的呼吸周期。例如，二氧化碳的增加将表明用户正在呼气。

虽然图1中的系统2包括氧气传感器28和二氧化碳传感器30，但在一些情况下，只能提供一个额外的传感器(例如，仅二氧化碳传感器30或仅氧气传感器28)。在这种情况下，氧气分压或二氧化碳分压将被发送到控制系统16，并用于修改用户的推荐氧气量。还应当注意，在一些情况下，如前面描述的一般系统，不包括额外的传感器26。在这种情况下，不调节在特定高度向用户供应的推荐氧气量。

总之，控制系统16基于以下参数的组合来计算向气体混合装置4供应多少氧气：使用高度传感器14确定的环境压力、使用氧气传感器28(如果存在)确定的储气库10中的氧气分压、使用二氧化碳传感器30(如果存在)确定的储气库10中的二氧化碳分压，以及预定义的查找表。

在系统2的其他开发中，如图1所示，提供了布置为向气体混合装置4供应环境空气的第三气体进口32。一旦环境空气进入系统2，它可以与来自第一气体进口6的氧气和来自第二气体进口12的呼出气体混合，以形成通风气体混合物。

通常，环境空气将包括氧气、二氧化碳和氮气的混合物。通过允许环境空气进入气体混合装置中并与氧气和用户呼出的气体合并，可以调节构成通风气体混合物的气体的相对比例。

因此，经由第三气体进口32接收的环境空气被用于控制通风气体中存在的二氧化碳的比例，并确保二氧化碳的量保持在所需水平。

进入气体混合装置4中的环境空气的控制由偶联到第三气体进口16的控制系统16提供。特别地，控制系统16与第三气体进口16内的阀34连通，且布置为根据允许进入系统2的环境空气的量，在打开和关闭位置之间调节阀的位置。

具体地，控制系统16基于从高度传感器14接收的信息、预定数据的算法以及任何额外的传感器26(如果它们存在)，打开和关闭第三气体进口32中的阀34。通过组合所有这些接收到的数据，控制系统能够通过允许环境空气进入系统2来对通风气体混合物进行进一步的必要调节。阀34也可以被称为环境空气稀释阀，并且采用单向阀的形式，该单向阀允许环境空气进入系统2中，但不允许流出系统2。

由于控制系统16对阀34的控制是基于从高度传感器14接收到的高度信息，因此阀34的控制，即控制进入第三气体进口32中的环境空气的比例，可以认为是基于使用高度传感器14检测的用户的呼吸特征。

换言之，呼吸特征的感测用于确定允许多少环境空气进入气体混合装置4中，以便控制与制备的通风气体混合物一起存在的二氧化碳的比例，使得其保持在所需水平。

如同所提及的，系统2可用于许多需要通风的不同应用。在一些应用，如医疗应用中，包括医院中的通风装置，第三气体进口是任选的。在其他应用，如航空应用中，包括乘客和机组人员的紧急氧气面罩，通常存在第三气体进口。

第三气体进口32的主要功能是用作稀释气体进口，其允许稀释通风气体混合物中的二氧化碳，同时允许减少从第一气体进口6供应的氧气。这是因为环境空气包括氧气和氮气，而二氧化碳的量可忽略不计。当系统的高度降低时，例如当飞行器下降时，氧气的分压增加，并因此需要从第一气体进口6向气体混合装置4供应较少的补充氧气，以制备合适的通风气体混合物。然而，当通过第一气体进口6的氧气流量减少时，储气库10中存在的二氧化碳量增加。因此，通过打开第三气体进口32，储气库10中存在的二氧化碳可以被稀释到通风气体混合物的正确水平。

实际上，由于第三气体进口32的打开也将稀释气体混合装置4中的氧气分压，因此需要从第一气体进口6供应的氧气略微增加。然而，应该注意的是，如果根本不存在第三气体进口32，这种轻微的增加并没有稀释二氧化碳水平所需的那么大。因此，第三气体进口32的存在是一种提高系统效率的方法，因为氧气源20将持续更长时间。

因此，第三气体进口32可用于调节通风气体混合物中存在的氧气量，而不允许二氧化碳水平累积到不安全的水平。特别地，当由于高度降低而需要较少的氧气时，由第一气体进口6供应的氧气量减少。然而，存在储存在储气库10中的二氧化碳量可能随着时间累积的风险，并因此第三气体进口32可以帮助稀释通风气体混合物中的二氧化碳水平。

图2示出了用于制备通风气体混合物的替代系统。相同的参考数字被用于标识先前描述的相同特征。

在该实例中，高度传感器采用空气压力传感器114的形式，其布置为确定环境空气的空气压力。该空气压力传感器114与控制系统16连通，并向控制系统16提供测量的环境空气压力，然后控制系统16使用该信息来确定系统的高度。该确定基于预定义的算法或数据库中的查找表，其包括与各种气压下的高度相对应的数据。

如图2中可见的，限流器124采用压力控制的流量调节器的形式，具体地，气压控制的流量调节器124。控制系统16与流量调节器124连通，并基于使用从气压传感器114接收的环境气压计算出的高度调节流量调节器124。如前所述，不同的高度对应于要供应给系统的不同的推荐氧气量，并因此控制系统16能够基于确定的高度控制氧气进入第一气体进口6中的流动。

图3示出了另一种用于制备通风气体混合物的替代系统。相同的参考数字被用于标识先前描述的相同特征。

在该实例中，高度传感器采用压力传感器的形式，具体地，气压传感器214。气压传感器布置为确定环境空气的压力。另外，控制系统采用控制阀116的形式，其能够控制氧气从氧气源20的流动并进入第一气体进口6中。控制阀116可以在打开位置和关闭位置，以及部分打开的中间位置之间移动，以便控制允许从氧气源20流到第一气体进口6的氧气量。

气压传感器214与控制系统116连通，后者基于气压传感器214确定的高度调节氧气通过第一气体进口6的流动。当气压传感器214包括根据其周围气压移动或改变形状的依赖压力的组件时。该依赖压力的组件基本上位于控制阀116的旁边，使得依赖压力的组件的任何移动都会影响控制阀116，并因此影响氧气通过第一气体进口6的流动。特别地，气压传感器214将造成控制阀116基于依赖压力的组件的移动，在打开和关闭位置，以及部分打开的中间位置之间移动。如前所述，不同的高度对应于要供应给系统的不同的推荐氧气量，并因此控制系统116能够基于高度控制氧气进入第一气体进口6中的流动。

类似地，第三气体进口32可以包括控制系统116a和气压传感器214a。再次地，如上所述，控制阀116a布置为基于气压传感器214a内的依赖压力的组件的移动来控制环境空气进入第三气体进口32中的流动。

因此，图3示出了与图1和图2的电气系统相当的机械系统。在图1和图2中，通过第一气体进口6的氧气流由控制系统16控制，控制系统16经由电气连接从高度传感器14接收数据和信号。然后，控制系统16经由电气连接向限流器24传送信号，以控制氧气流。在图3中，通过第一气体进口6的氧气流由控制阀116控制，控制阀116接收来自气压传感器216的机械响应。然后，控制阀116在打开和关闭位置之间(或反之亦然)或在第一和第二部分打开位置之间(第一和第二部分打开位置彼此不同，使得每个部分打开位置对应于能够流入第一气体进口6中的不同量的氧气)移动，以控制氧气流。

图4和图5示出了吸气和呼气期间通过系统的气流。特别地，图4a和图5a示出了吸气和呼气期间通过图1的系统的气流，且图4和图5示出了吸气和呼气期间通过图2的系统的气流。这些图中的系统布置成使得控制系统向第一气体进口6中连续供应氧气。然而，类似的事件序列将适用于布置为供应脉冲氧气供应的系统。应注意的是，尽管这些图被显示为包括气压控制的流量调节器124、环境空气压力传感器114和第三气体进口32，但如图4a和图5a所示，使用限流器24和高度传感器14以及不存在第三气体进口32时，通过系统的气体流量是相同的。另外，如图3所示，当系统为机械系统时，通过系统的气体流量是相同的。还应注意，当氧气以一系列脉冲或连续供应的形式供应至第一气体进口6时，通过系统的气体流量是相同的。

首先看图4a，显示了呼吸周期的吸气阶段。通常，当用户吸气时，从第一气体进口6供应的氧气经由气体混合装置4直接流入用户的肺中。用户还将吸入储气库10内储存的空气。当系统首次使用且用户首次吸气时，储气库4将包括标称量的环境空气。在一些情况下，当系统首次使用时，系统可能需要提供初始量的额外氧气以充分填充肺部，或者确保第三气体进口32打开(当存在时)，以允许环境空气进入第三气体进口32中，以便防止用户试图在空的储气库10上吸气。在随后的吸入期间，储气库4将收集并存储用户先前呼出的气体，并因此用户通常将吸入其存储的呼出气体。该呼出气体将在气体混合装置4中合并，刚好在其进入用户的嘴和肺部之前，以形成通风气体混合物。

由于呼出气体包括增加的二氧化碳水平，当用户将该呼出气体与供应的氧气组合再呼吸时，他们将吸入包括增加的二氧化碳水平的空气混合物。如所讨论的，向通风气体混合物中添加二氧化碳使得用户能够更有效地使用通过第一气体进口6供应的氧气。

在也包括第三气体进口32的布置中，当该气体进口打开时，用户将额外吸入一定量的环境空气，与供应的氧气和重新供应的呼出气体相结合，然后在气体混合装置4中与供应的氧气和重新供应的呼出气体混合，以产生通风气体混合物。

一些布置包括通风面罩，其迫使面罩佩戴者吸入通风气体混合物，所述通风气体混合物由从氧气源20供应的氧气与来自储气库10的空气(其包括呼出的二氧化碳，标称按体积计高达20％)或环境空气和储气库空气的混合物组成。在后一种情况下，环境空气与从氧气源供应的氧气组合使用，以将来自储气库的二氧化碳稀释至所需水平。

在吸入过程中，限流器24限制氧气流入气体混合装置4中。这可以是对一段时间(如在脉冲布置中)和/或流速的限制。

该限制确保，在每个呼吸周期期间，仅供应预选体积的氧气，该氧气与二氧化碳组合，足以为给定高度提供合适的通风气体混合物。

当高度传感器14检测到气体混合装置4内的负压时，限流器24基本上立即打开。预选体积的氧气和二氧化碳(以及在适用的情况下，来自环境空气的氮气)以正确的量输送到气体混合装置4，以供用户吸入，这些量由控制系统16和算法或查找表控制和确定，如前文解释的。

换言之，控制系统16布置为供应一定体积的氧气、二氧化碳(以及在一些情况下的氮气)，作为高度的函数，如基于空气压力确定的。

特别地，预选体积的氧气包括足够的氧气体积，使得当与来自储气库4的预选体积的二氧化碳和氧气(且在一些情况下为环境空气)混合时，预选体积的氧气足以维持确定高度处预选的氧气饱和度水平，注意到通风气体混合物中二氧化碳的存在减少了维持用户所需的标称氧气量。

由于在吸气阶段期间将预选体积的氧气输送到气体混合装置4，因此在用户的吸气阶段的至少一部分(在一些情况下，全部)内打开限流器24。

图5示出了呼吸周期的呼气阶段。通常，当用户呼气时，他们呼出的呼吸将通过气体混合装置4，并经由第二气体进口12进入储气库10中，在储气库10中收集和储存气体。在呼气期间，气体混合装置4或第一气体进口6中剩余的任何先前供应的或连续流动的氧气也将被强制进入储气库10中。

在包括该特征的布置中，第三气体进口32的存在不会影响呼气期间的气体流动，因为第三气体进口32包括单向阀，该单向阀不允许空气经由第三气体进口32离开系统。在呼气阶段期间，第一气体进口6中的限流器24也保持关闭。

因此，随着时间的推移，储气库4积累了一定体积的气体，该气体包括氧气、二氧化碳和氮气，其从氧气源流入、从环境舱空气流入，或者从用户呼出的空气流入。

如技术人员将理解的，存在可以采用任意上述系统的许多不同配置。下面将概述这些配置中的一些配置及其相应的应用。

在第一种应用中，系统可以与通风面罩结合使用，以提供通风气体混合物，供飞行器机组人员或乘客在航空期间使用。该系统包括气体混合装置、储气库、第一和第二气体进口、高度传感器和控制系统。高度传感器可以位于气体混合装置中，如图1所示，也可以是空气压力传感器，且如图2所示。该系统还包括第三气体进口，如图2中所示。该系统的操作以及通过该系统的气体流如上所述。

在第一种应用中，系统可以与通风面罩结合使用，以提供通风气体混合物，供飞行器机组人员或乘客在航空期间使用。该系统包括气体混合装置、储气库、第一和第二气体进口、高度传感器和控制系统。高度传感器可以位于气体混合装置中，如图1所示，也可以是空气压力传感器，如图2所示。系统还包括第三气体进口，如图2中所示。任选地，系统可以包括二氧化碳传感器和/或氧传感器，如图1中所示。该系统的操作以及通过该系统的气体流如上所述。优选地，以脉冲方式控制通过系统的氧气流。然而，也可以使用连续的氧气供应。

在第二种应用中，系统可以与通风面罩、通风头盔或插管系统结合使用，以提供供医疗患者使用或在医疗过程中使用的通风气体混合物。该系统包括气体混合装置、储气库、第一和第二气体进口、高度传感器和控制系统。高度传感器可以位于气体混合装置中，如图1所示，也可以是空气压力传感器，如图2所示。任选地，系统可以包括二氧化碳传感器和/或氧气传感器，如图1中所示。任选的，系统还包括第三气体进口，如图2中所示。该系统的操作以及通过该系统的气体流如上所述。优选地，以脉冲方式控制通过系统的氧气流。然而，也可以使用连续的氧气供应。在一些布置中，系统可以耦合到位于第二气体进口中的生物过滤器，以帮助防止感染性病原体释放到用户周围的环境中。

参考第二种应用，替代系统可以与通风面罩、通风头盔或插管系统结合使用，以提供供医疗患者使用或在医疗过程中使用的通风气体混合物。该系统通常与上面结合第二种应用描述的系统相同。然而，在该应用中，储气库包括排气阀，该排气阀配置为提供增加的压力限制，从而有助于系统在大于环境空气压力的压力下运行。通过这一点，我们的意思是气体混合装置内的压力高于系统外的环境压力，并因此通过配置排气阀以释放更高的压力，系统迫使通风气体混合物在压力下离开气体混合装置进入用户的肺中。在这种情况下，通过第一气体进口供应的氧气以大于当系统用于其它应用时通过第一气体进口供应的氧气的压力供应到气体混合装置。这具有的优点是，可以增加氧气和二氧化碳的分压，以便用户更有效地使用它们，同时仍将气体保存在系统内，这优化了气体使用。在一些应用中，可以基于系统的高度和/或在气体混合装置内测量的气体组分来控制该压力限制。

在第三种应用中，系统可以与通风面罩结合使用，以提供在高空运动或活动，如登山、延缓张伞跳伞或跳伞期间使用的通风气体混合物。该系统包括气体混合装置、储气库、第一和第二气体进口、高度传感器和控制系统。在这种情况下，气体混合装置采用通风面罩的形式，并由用户佩戴。高度传感器可位于气体混合装置中，如图1所示。特别地，在其中控制系统布置为向第一气体进口提供脉冲氧气供应的布置中，高度传感器位于通风面罩内。然而，在其中控制系统布置为向第一气体进口提供连续的氧气供应的布置中，高度传感器可以位于通风面罩内，或者位于通风面罩外部，例如位于第一气体进口内。系统还包括压缩氧气罐形式的氧气供应器，其配置为向第一气体进口供应氧气。任选地，系统可以包括二氧化碳传感器和/或氧气传感器，如图1所示。任选地，系统还包括第三气体进口，如图2所示。该系统的操作和通过该系统的气体流如上所述。优选地，以脉冲方式控制通过系统的氧气流。然而，也可以使用连续的氧气供应。

参考第三种应用，替代系统可以与通风面罩结合使用，用于提供通风气体混合物，以在高空运动或活动，如登山、延缓张伞跳伞或跳伞，例如军事跳伞期间使用。该系统通常与上面结合第三种应用描述的系统相同。然而，在该应用中，储气库包括排气阀，该排气阀配置为提供增加的压力限制，从而有助于系统在大于环境空气压力的压力下运行。通过这一点，我们的意思是气体混合装置内的压力高于系统外的环境压力，并因此通过配置排气阀以释放更高的压力，系统迫使通风气体混合物在压力下离开气体混合装置进入用户的肺中。在这种情况下，即在高海拔运动或活动应用期间，通过第一气体进口供应的氧气以大于当系统用于其他应用时通过第一气体进口供应的氧气的压力供应到气体混合装置。这具有的优点是，可以增加氧气和二氧化碳的分压，以便用户更有效地使用它们，同时仍将气体保存在系统内，这优化了气体使用。在一些应用中，可以基于系统的高度和/或在气体混合装置内测量的气体组分来控制该压力限制。该系统还可以与通风面罩结合使用，以提供在医疗应用期间使用的通风气体混合物，从而允许相比在用户的环境压力下实现的分压增加的气体分压。

Claims (15)

1.用于为用户制备通风气体混合物的设备，包括：

气体混合装置，其被配置为通过第一气体进口接收氧气，所述气体混合装置进一步被配置为从人接收呼出气体；

储气库，其被配置为通过第二气体进口从所述气体混合装置接收所述呼出气体，其中所述储气库进一步被配置为通过所述第二气体进口向所述气体混合装置重新供应所述呼出气体；

高度传感器，其被配置为确定高度信息；

控制系统，其被配置为从所述高度传感器接收所述高度信息，且进一步被配置为基于所接收的高度信息控制氧气通过所述第一气体进口的流动；

其中所述气体混合装置布置为将通过所述第一气体进口接收的氧气与通过所述第二气体进口接收的所述重新供应的呼出气体合并，以制备通风气体混合物。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述高度传感器包括压力传感器。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述压力传感器布置为确定环境空气的压力，且进一步被配置为将所述环境空气压力传送至所述控制系统。

4.如权利要求2所述的设备，其中所述压力传感器布置为确定所述呼出气体的压力，且进一步被配置为将所述呼出气体压力传送至所述控制系统。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述压力传感器位于所述第一气体进口内。

6.如权利要求4所述的设备，其中所述压力传感器位于所述气体混合装置内。

7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其还包括氧气传感器，所述氧气传感器被配置为确定所述储气库内的氧气分压并将所述氧气分压传送至所述控制系统，其中所述控制系统被配置为基于所述储气库中的氧气分压控制氧气通过所述第一气体进口的流动。

8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其还包括二氧化碳传感器，所述二氧化碳传感器被配置为确定所述储气库内的二氧化碳分压并将所述二氧化碳分压传送至所述控制系统，其中所述控制系统被配置为基于所述储气库中的二氧化碳分压控制氧气通过所述第一气体进口的流动。

9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述气体混合装置包括第三气体进口，所述第三气体进口被配置为接收环境空气。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述控制系统被配置为基于所接收的高度信息控制环境空气通过所述第三气体进口进入所述气体混合装置中的流动。

11.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述控制系统被配置为控制通过所述第一气体进口供应氧气，使得氧气作为至少一个脉冲供应给所述气体混合装置，其中所述至少一个脉冲包括预定量的氧气。

12.如权利要求11所述的设备，其中多个脉冲中的每个脉冲包括相同量的氧气。

13.如权利要求11所述的设备，其中多个脉冲中的至少两个脉冲包括不同量的氧气。

14.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述控制系统被配置为控制通过所述第一气体进口供应氧气，使得作为连续的氧气流向所述气体混合装置供应氧气。

15.制备通风气体混合物的方法，其包括以下步骤：

通过第一气体进口向气体混合装置供应氧气；

通过所述气体混合装置从人接收呼出气体；

通过第二气体进口从所述气体混合装置向储气库供应所述呼出气体；

通过所述第二气体进口从所述储气库向所述气体混合装置重新供应所述呼出气体；

使用高度传感器确定所述气体混合装置的高度，并将所述高度传送至控制系统；

基于所接收的高度，通过所述控制系统控制氧气通过所述第一气体进口的流动；

通过所述气体混合装置，将通过所述第一气体进口接收的氧气与通过所述第二气体进口接收的所述重新供应的呼出气体合并，以制备所述通风气体混合物。

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