Дыхательный аппарат или дыхательный комплект — это оборудование, которое позволяет человеку дышать в агрессивной среде, где дыхание в противном случае было бы невозможным, трудным, вредным или опасным, или помогает человеку дышать. Респиратор , аппарат искусственной вентиляции легких или реаниматор также могут считаться дыхательными аппаратами. Оборудование, которое подает или перерабатывает дыхательный газ, отличный от окружающего воздуха, в пространстве, используемом несколькими людьми, обычно называют частью системы жизнеобеспечения , а система жизнеобеспечения для одного человека может включать дыхательный аппарат, когда дыхательный газ специально подается пользователю, а не в помещение, в котором пользователь находится.
Дыхательные аппараты можно классифицировать по типу несколькими способами:
Пользовательский респираторный интерфейс — это система доставки, с помощью которой дыхательный аппарат направляет поток дыхательного газа к пользователю и от него. Обычно используется некоторая форма лицевой маски, капюшона или шлема, но для некоторых медицинских вмешательств может потребоваться инвазивный метод.
Любой данный блок является членом нескольких типов. Хорошо известный рекреационный комплект для подводного плавания представляет собой автономный, открытый контур, поставляемый по требованию, с высоким давлением воздуха, находящегося под давлением окружающей среды, подводного типа, подаваемого через загубник с фиксатором.
Семантически термин « дыхательный аппарат» подразумевает любой набор оборудования и материалов, специально предназначенных для обеспечения или облегчения дыхания, который может включать в себя как базовое оборудование, например, трубку или искусственный воздуховод , так и сложное, например, анестезиологический аппарат или скафандр . Фактическое использование варьируется, и дыхательный аппарат, дыхательный набор, вентилятор и респиратор имеют схожие и пересекающиеся значения, которые варьируются в зависимости от выбранных источников. [1] Дыхательный набор, по-видимому, является вторичным синонимом дыхательного аппарата, поскольку поисковые запросы в Интернете, по-видимому, все перенаправляются на дыхательный аппарат. Согласно Merriam-Webster , вентилятор может быть медицинским устройством для обеспечения искусственного дыхания или оборудованием для циркуляции свежего воздуха через пространство, в то время как респиратор обычно представляет собой маску, надеваемую для защиты пользователя от твердых частиц в воздухе, но также может означать устройство для обеспечения искусственного дыхания. Использование в значении фильтрующей маски относится к началу 19 века, а в значении искусственного дыхания — ко второй половине 19 века, так что оба эти значения хорошо известны. [1]
Исполнительный комитет по охране труда и технике безопасности Великобритании (HSE) различает респираторы и дыхательные аппараты. Респираторы описываются как фильтрующие устройства , которые могут быть с электроприводом, использующим двигатель для пропускания окружающего воздуха через фильтр, или без электропривода, полагаясь на дыхание пользователя для протягивания окружающего воздуха через фильтр. Отличительными особенностями респиратора в этом контексте, по-видимому, являются то, что воздух не подвергается значительному сжатию на какой-либо стадии, фильтруется и находится примерно под давлением окружающей среды. Определение HSE для дыхательных аппаратов заключается в том, что они используют подачу дыхательного газа из независимого источника, такого как воздушные компрессоры или баллоны с сжатым газом. В этом случае подразумевается сжатие подаваемого газа на какой-то стадии. И респираторы, и дыхательные аппараты классифицируются HSE как средства защиты органов дыхания . [2]
Vocabulary.com описывает дыхательный аппарат как «устройство, облегчающее дыхание в случаях дыхательной недостаточности», что является функциональным описанием медицинского аппарата искусственной вентиляции легких или реанимационного аппарата. [3]
Словарь научных и технических терминов McGraw-Hill определяет дыхательный аппарат как «устройство, позволяющее человеку функционировать в невдыхаемых или ядовитых газах или жидкостях; содержит источник кислорода и регенератор, который удаляет выдыхаемый углекислый газ», что является описанием любого типа или применения ребризера. [4]
Управление по охране труда и промышленной гигиене США (OSHA) различает типы дыхательных аппаратов по источнику дыхательного газа и считает респираторы типом или классом дыхательных аппаратов: [5]
Респиратор с подачей воздуха — это дыхательный аппарат, который снабжает пользователя дыхательным газом из источника, независимого от окружающей атмосферы, например, респираторы с подачей воздуха (SAR) и автономные дыхательные аппараты (SCBA). [5]
Автономный дыхательный аппарат (ДАА) — это тип дыхательного аппарата с подачей атмосферного газа, в котором источник дыхательного газа переносится пользователем. [5]
Респиратор с подачей воздуха (SAR) или бортовой респиратор — это тип дыхательного аппарата с подачей воздуха в атмосферу, в котором для подачи дыхательного газа используется шланг из источника, который не переносится пользователем. [5]
Воздухоочистительный респиратор — это дыхательный аппарат, который использует фильтр, картридж или канистру для удаления определенных загрязняющих веществ из воздуха путем пропускания окружающего воздуха через воздухоочистительный компонент. Не делается различий на основе механизма пропускания воздуха через очищающий компонент — это могут быть легкие пользователя или механическое устройство. [5]
Источником дыхательного газа может быть окружающая атмосфера, сжатый воздух, подаваемый из компрессора низкого давления в режиме реального времени, обогащенный кислородом воздух, подаваемый из кислородного концентратора, [6] сжатый воздух высокого давления, сверхкритический сжатый воздух , [7] кислород или смешанные газовые смеси, жидкий кислород , химически полученный кислород или комбинация окружающей атмосферы и другого из этих источников. [8]
При использовании подачи сжатого газа дыхательный газ должен подаваться в респираторный интерфейс под подходящим давлением для вдыхания, близким к давлению окружающей среды. Обычно это делается с помощью регулятора дыхательного газа, регулятора снижения давления , который снижает давление подачи газа из линии подачи. [9] Выдох обычно происходит в окружающую среду при давлении окружающей среды, но в особых случаях, таких как встроенные дыхательные системы и системы возврата газа , он может выпускаться до значительно более низкого давления, иногда в удаленном месте, и может потребоваться регулятор обратного давления , чтобы сделать это безопасно. [10]
Газовые дыхательные аппараты с подачей газа можно классифицировать по способу подачи газа пользователю. Существует несколько комбинаций опций
Газ может подаваться непрерывно, в так называемой системе постоянного потока, непрерывного потока или свободного потока. Пользователь вдыхает из потока свежего газа, проходящего мимо лица, и выдыхает обратно в тот же поток. Скорость подачи должна быть достаточной, чтобы при разумно прогнозируемых рабочих скоростях вдыхаемый газ не включал слишком много ранее выдыхаемого газа. Это просто, но расточительно для подаваемого газа. [11] [12]
Газ может подаваться по требованию, когда пользователь вдыхает, используя падение давления в начале вдоха для управления открытием клапана по требованию, и автоматически останавливается, когда нет спроса. Это более консервативно в использовании газа, но имеет более высокую работу дыхания. Для этого требуется лицевая часть, которая умеренно хорошо герметизирует пользователя, с небольшим внутренним объемом для ограничения мертвого пространства. [13] Некоторые дыхательные аппараты по требованию могут быть переключены в режим непрерывного потока. [5]
Дыхательный аппарат открытого цикла — это любой дыхательный аппарат, который не перерабатывает дыхательный газ, а выбрасывает его в окружающую среду. [14]
Подача может быть далее классифицирована как системы с положительным и отрицательным давлением, в зависимости от давления, поддерживаемого при остановке потока, и от того, падает ли давление дыхательного газа в аппарате ниже давления окружающей среды. Системы открытого контура без смешивания во время доставки просты, а подаваемый газ является постоянным и надежным. [5]
Как постоянный поток, так и подача по требованию могут также обеспечивать газ из двух источников, одним из которых является окружающая атмосфера, что обычно называется дополнительным обеспечением кислородом, часто используемым в медицинских целях, где пользователь подвергается риску медицинской гипоксии, а также на больших высотах, где парциальное давление кислорода естественно низкое. [15]
Дыхательные аппараты закрытого и полузакрытого цикла, также известные как ребризеры и газовые расширители , представляют собой дыхательные аппараты, которые поглощают углекислый газ из выдыхаемого пользователем воздуха и добавляют к нему кислород, что позволяет рециркулировать неиспользованный кислород и разбавитель (если он присутствует). Система ребризера может использоваться для любого применения поставляемого газового дыхательного аппарата. Она может быть сложнее, чем открытый цикл, если смесь необходимо контролировать, и для кратковременных применений может быть тяжелее. Может быть большая опасность возгорания из-за высокой концентрации кислорода. В других применениях, когда требуется длительная выносливость и сравнительно небольшой вес, она может обеспечить большую экономию газа и быть намного проще или легче, чем эквивалентный вариант открытого цикла. Системы ребризеров могут быть замкнутого или полузамкнутого контура, иметь маятниковую или петлевую конфигурацию пути потока, а газ может циркулировать за счет дыхания пользователя через обратные клапаны (почти все автономные устройства), за счет энергии впрыскиваемого свежего газа (Dräger Modell 1915 "Bubikopf", DM20 и DM40 [16] и газовые расширители для шлемов ВМС США Mk V с гелием [17] ), или за счет внешнего источника питания (кислород в скафандре циркулирует с помощью электрического вентилятора). [18] При питании от дыхательного усилия устройства ребризеров будут иметь повышенную работу дыхания, особенно при высоких плотностях газа на большой глубине, что является ограничивающим фактором для водолазных ребризеров, даже если разбавителем является гелий. [19]
Дыхательные аппараты также можно отнести к категории автономных, где все переносится пользователем или снабжается дистанционно, со шлангом для подачи газа от панели подачи и в некоторых случаях с обратным шлангом для выдыхаемого газа. [9]
К удаленно поставляемым приложениям относятся:
К автономным приложениям относятся:
Пользовательский респираторный интерфейс, также обычно называемый лицевой частью, представляет собой систему доставки, с помощью которой дыхательный аппарат контролирует поток дыхательного газа к пользователю и от него. Выбор типа интерфейса и его посадка могут существенно влиять на удобство, эффективность, комфорт и иногда безопасность. Используются несколько типов: [27]
Носовая канюля относительно незаметна и широко используется для дополнительного кислорода. Базовая версия используется для подачи непрерывного потока дополнительного кислорода со скоростью от 1 до 6 литров в минуту. Она имеет два коротких зубца, которые вставляются в ноздри для подачи, которые соединены с общей трубкой, которая обычно крепится за уши для поддержки. [28] Более сложная резервуарная канюля представляет собой устройство для подачи дополнительного кислорода, сохраняющее кислород, которое накапливает постоянный поток кислорода в небольшом резервуаре под носом во время выдоха и доставляет его в виде болюса в начале следующего вдоха, что гарантирует, что большая его часть достигнет частей легких, в которых происходит газообмен, и мало теряется в мертвом пространстве. [29]
Носовая маска закрывает нос и плотно прилегает к верхней губе, боковым сторонам носа и переносице. [27]
Маска -подушка для носа плотно прилегает к краю ноздрей. Используется у стабильных пациентов с нарушением дыхания во сне. [27]
Искусственные дыхательные пути используют медицинское устройство для обеспечения проходимости дыхательных путей. Это требует вмешательства компетентного лица и может быть надгортанным, подгортанным или хирургически размещенным. Эти приложения в основном используются в неотложной медицине и хирургии. Устройства этого класса включают ларингеальные маски , пищеводно-трахеальные комбитрубки , эндотрахеальные трубки и трахеостомические трубки . [30]
Мундштук , обычно удерживаемый на месте с помощью укуса и уплотняемый губами, распространен в оборудовании для подводного плавания, трубках и некоторых типах спасательных дыхательных аппаратов. [31] Мундштук прост и эффективен, имеет минимальное мертвое пространство и надежно герметизирует без необходимости регулировки, но должен активно удерживаться на месте пользователем и может вызывать усталость челюсти в течение длительного времени. Удерживающий ремень для мундштука может использоваться для уменьшения усталости челюсти и риска потери захвата мундштука в чрезвычайной ситуации. [32] Мундштук позволяет вдыхать подаваемый газ только ртом, и может потребоваться заблокировать нос, чтобы предотвратить обход. Мундштук затрудняет или делает невозможной внятную речь, а прием пищи или питье требуют временного снятия.
Оральная маска помещается внутри рта между зубами и губами, с направляющей, чтобы язык не перекрывал дыхательные пути. Они нечасто используются. [27]
Дыхательная маска, также называемая лицевой частью, представляет собой компонент, который закрывает рот и нос, иногда также глаза и другие части лица, и может герметично прилегать к лицу. Дыхательная маска обычно эффективна, позволяет дышать ртом и носом и обычно может быть достаточно герметично закрыта без усилий со стороны пользователя. Доступен широкий спектр конструкций в зависимости от области применения. Недостатки заключаются в том, что пользователь не может есть или пить, пока маска надета, и некоторые модели могут мешать речи, в то время как другие могут иметь относительно большое мертвое пространство. Три основные конфигурации различаются по области, которую они покрывают.
Ороназальная маска, также называемая оро-назальной, орально-носовой или четвертной маской, закрывает рот и ноздри и плотно прилегает к передней части лица на переносице и по бокам носа и рта, а также к подбородку, оставляя небольшое мертвое пространство. [27]
Полумаска простирается ниже подбородка, а полнолицевая маска закрывает глаза, а также нос и рот, и может иметь настолько большое мертвое пространство, что для уменьшения мертвого пространства предусмотрена внутренняя оро-носовая маска. Полумаска для дайвинга, используемая в подводном плавании и фридайвинге, закрывает глаза и нос и не является дыхательным аппаратом.
Полнолицевая маска обычно используется только в тех случаях, когда необходимо включить в защищенное пространство глаза, и часто включает в себя внутреннюю маску для полости рта и носа, чтобы уменьшить мертвое пространство.
Дыхательный капюшон — это тип респираторного интерфейса, который полностью закрывает голову и шею, а также, опционально, плечи или верхнюю часть туловища, [33] с мешком свободного покроя, который может иметь шейный уплотнитель или быть относительно плотно прилегающим к шее или плечам. Они используются в спасательных дыхательных аппаратах нескольких видов ( спасательные капюшоны ), [34] и в качестве пути для дополнительного кислорода ( кислородные капюшоны ). Дыхательные капюшоны с полноразмерными козырьками обычно используются с респираторами с подачей воздуха свободного потока для промышленных работ, таких как покраска распылением, судостроение и деревообрабатывающие мастерские. [35]
Дыхательный шлем обычно определяется как жесткий респираторный пользовательский интерфейс, покрывающий голову, который также обеспечивает защиту головы от ударов и проникновений. [33] В медицинской терминологии дыхательный шлем является синонимом дыхательного капюшона и не обязательно должен иметь какую-либо жесткую защитную конструкцию. [36] [27]
Дыхательные аппараты могут использоваться в различных режимах давления: гипербарическом для водолазных работ, проходки туннелей и кессонных работ, нормобарическом, когда окружающая атмосфера непригодна для дыхания или по медицинским показаниям необходим дополнительный кислород, и гипобарическом на больших высотах и в космосе.
Высотный дыхательный аппарат используется для безнапорной (атмосферного давления) авиационной и альпинистской деятельности, где содержание кислорода в естественной атмосфере недостаточно для поддержания физической активности, сознания или жизни, но атмосферное давление достаточно, чтобы не использовать скафандр.
В этом приложении использовались как ребризер, так и оборудование с открытым контуром, где либо чистый кислород, либо дополнительный кислород поставлялись оборудованием. Незначительная утечка в любом направлении обычно влияет только на эффективность и выносливость газа, поскольку окружающий воздух обычно только гипоксичен из-за низкого давления окружающей среды. [15]
Дыхательные аппараты используются для эвакуации из шахт и спасательных работ, пожаротушения или работы в гипоксической или токсичной атмосфере при давлении, близком к нормальному атмосферному давлению . Они могут подавать дыхательный газ под небольшим избыточным давлением, также известным как положительное давление , для предотвращения загрязнения окружающим газом, поскольку утечка из дыхательного аппарата обычно менее вредна, чем вдыхание окружающего газа.
Этот подкласс включает как автономные, так и снабжаемые авиалиниями устройства, при этом автономные устройства могут использовать технологию ребризера для увеличения срока службы газа.
Дыхательный аппарат, предназначенный для использования в гипербарической среде, не должен подавать газ с токсичной концентрацией кислорода . [31] Большинство дыхательных аппаратов для гипербарического использования представляют собой подводные дыхательные аппараты с атмосферным давлением, но дыхательный аппарат может быть необходим в герметичном туннеле или кессоне из-за загрязнения опасными материалами. Незначительная утечка в окружающую среду обычно не имеет большого значения.
Широко используются системы открытого и закрытого контура, автономные и дистанционно снабжаемые, но выбор состава газа осложняется возможностью кислородной токсичности и требованиями декомпрессии. Возможности азотного наркоза и чрезмерной плотности газа, вызывающие неприемлемо высокую работу дыхания, делают использование гелия в качестве разбавителя необходимым для использования на больших глубинах. Большой диапазон возможных давлений усложняет декомпрессию, необходимую для предотвращения декомпрессионной болезни , и использование специальных газовых смесей для ускорения декомпрессии является довольно распространенным. Это требует либо от водолаза использования нескольких смесей на разных глубинах, которые могут быть токсичными при использовании на неправильной глубине, либо для аппарата замкнутого контура, который обеспечивает надежный контроль и мониторинг газовой смеси. Поскольку неисправность, которая прекращает подачу дыхательного газа водолазу на глубине, может быстро привести к летальному исходу, в дополнение к основному запасу газа можно нести аварийный дыхательный аппарат . [9]
При экстремальных значениях давления окружающей среды пользователь должен быть изолирован от окружающей среды, чтобы выжить, как в одноатмосферных водолазных костюмах , где человек находится под давлением поверхностной атмосферы, изолированным от высокого давления окружающей среды глубокой подводной среды, а также в скафандрах и космических скафандрах , где внутренняя часть костюма находится под давлением выше внешнего давления окружающей среды. В этих приложениях обычно используются системы кислородного ребризера, поскольку они относительно безопасны, просты и эффективны по сравнению с открытым контуром и по своей сути не влияют на внутреннее давление костюма. Жидкий воздух также использовался для космических скафандров, [37] что подразумевает внутреннее давление костюма, близкое к нормальному атмосферному давлению, и открытый контур. Утечка во внешнюю среду или из нее обычно указывает на отказ системы и чрезвычайную ситуацию. [38]
Системы положительного и отрицательного давления могут иметь несколько разное значение в контексте дыхательных аппаратов в зависимости от того, является ли контекст медицинским или немедицинским применением.
В данном контексте эти термины относятся к защите дыхательного контура от утечки загрязняющих веществ.
Положительное давление означает, что область вокруг рта или носа внутри лицевой части остается немного выше, чем давление окружающей среды снаружи лицевой части дыхательного аппарата в течение всего времени использования, так что окружающий газ или жидкость не могут просочиться в дыхательное пространство. [5] Это также имеет физиологический эффект, помогая вдоху и препятствуя выдоху, но не должно влиять на общую работу дыхания.
Отрицательное давление означает, что давление внутри лицевой части ниже, чем давление окружающей среды снаружи лицевой части в какой-то момент во время вдоха, и требуется хорошее уплотнение лицевой части, чтобы предотвратить утечку окружающего газа или жидкости в дыхательное пространство. [5] Это смещение давления обычно постоянно в течение всех или нескольких вдохов, в зависимости от причины, и имеет противоположный эффект, помогая выдоху и препятствуя вдоху, также не оказывая никакого чистого влияния на общую работу дыхания.
Давление окружающей среды под водой меняется в зависимости от глубины, а положение водолаза в воде может влиять на изменение давления между легкими и подаваемым газом в загубнике примерно до 250 мм вод. ст. (25 мб), но обычно меньше, что может быть положительным или отрицательным в зависимости от относительного положения легких по отношению к клапану спроса, выпускному клапану шлема свободного потока или дыхательному мешку ребризера. Также называется положительной статической нагрузкой на легкие и отрицательной статической нагрузкой на легкие [19]
В данном контексте термины относятся к механизму индуцирования вдоха у человека, который не дышит самостоятельно.
Вентиляция с положительным давлением происходит, когда дыхательный газ подается под давлением выше, чем окружающее, и газ вдувается в дыхательные пути, раздувая легкие. Эта система используется большинством аппаратов искусственной вентиляции легких и реаниматоров.
Вентиляция с отрицательным давлением происходит, когда туловище пациента подвергается внешнему давлению ниже давления окружающей среды, а воздух под давлением окружающей среды втягивается в легкие за счет разницы давления, вызванной расширением грудной клетки. Оборудование традиционно известно как железное легкое .
Дыхательный аппарат может использоваться для подачи газа, пригодного для дыхания, в ряде случаев, когда окружающая среда не обеспечивает наличие подходящего дыхательного газа:
Подводный дыхательный аппарат — это любой дыхательный аппарат, предназначенный для того, чтобы пользователь мог дышать под водой, и включающий в себя акваланг открытого цикла, водолазные ребризеры и водолазное оборудование с подводным питанием, а также системы как с давлением окружающей среды, так и с контролируемым давлением в одной атмосфере. [9]
Основными категориями подводных дыхательных аппаратов, работающих под давлением окружающей среды, являются:
Можно выделить еще два типа:
Дыхательный газ должен быть предоставлен для работы в непригодной для дыхания нормобарической атмосфере, которая может быть токсичной, раздражающей, наркотической или гипоксической, и может включать пожаротушение, устранение повреждений, разведку и спасательные работы, а также в нормобарической среде , где необходимо избегать заражения человека (опасная среда). Могут использоваться системы открытого цикла и рециркуляционные системы, а также автономные (SCBA) и дистанционно снабжаемые системы в зависимости от требований к мобильности. Может быть подходящим оборудование с положительным или отрицательным давлением, в зависимости от того, что должно быть защищено от заражения. [5]
Респиратор с подачей воздуха (SAR), также называемый авиационным респиратором, представляет собой тип средств защиты органов дыхания, используемых в случаях, когда окружающая атмосфера непригодна для дыхания непосредственно или после фильтрации пользователем. [12] [39] Оборудование может обеспечивать подачу воздуха по требованию, при положительном давлении или может обеспечивать постоянный поток со скоростью, превышающей пиковую скорость потребности пользователя. [40]
В зависимости от характера опасной атмосферы пользователю может потребоваться надеть средства индивидуальной защиты, чтобы изолировать все тело от окружающей среды ( костюм химической защиты ).
_as_he_climbs_up_the_emergence_escape_trunk_while_conducting_a_main_machinery_space_fire_drill.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Спасательные дыхательные аппараты — это класс автономных дыхательных аппаратов, подающих или очищающих атмосферу, для использования в чрезвычайных ситуациях, предназначенных для того, чтобы позволить пользователю проходить через области без пригодной для дыхания атмосферы в относительно безопасное место, где окружающий воздух безопасен для дыхания. Это системы с атмосферным давлением, включающие:
Ранние спасательные комплекты часто представляли собой ребризеры и обычно использовались для эвакуации с подводных лодок , которые не могли всплыть. Спасательные комплекты также используются на берегу, в горнодобывающей промышленности и военными для эвакуации из танков.
Малый дыхательный аппарат открытого цикла для экипажа вертолета имеет схожее назначение — обеспечить дыхательную смесь для покидания аварийно-спасательного вертолета.
Другим типом аварийных дыхательных аппаратов, питание которых осуществляется дистанционно, являются встроенные дыхательные системы на подводных лодках и барокамерах.
Встроенная система дыхания — это источник дыхательного газа, установленный в замкнутом пространстве, где может потребоваться альтернатива окружающему газу для медицинского лечения, экстренного использования или для минимизации опасности. Они находятся в водолазных камерах , барокамерах и подводных лодках .
Использование в гипербарических лечебных камерах обычно заключается в подаче обогащенного кислородом лечебного газа, который при использовании в качестве атмосферы камеры представлял бы неприемлемую опасность возгорания . [41] [42] В этом применении отработанный газ выводится за пределы камеры. [41] В камерах для насыщенного погружения и камерах поверхностной декомпрессии применение аналогично, но дополнительной функцией является подача пригодного для дыхания газа в случае токсического загрязнения атмосферы камеры. [41] Эта функция не требует внешней вентиляции, но то же самое оборудование обычно используется для подачи обогащенных кислородом газов, поэтому они, как правило, по умолчанию выводятся наружу.
На подводных лодках функция заключается в подаче пригодного для дыхания газа в чрезвычайной ситуации, которая может быть загрязнением окружающей внутренней атмосферы или затоплением. В этом случае вентиляция внутрь является приемлемым и, как правило, единственным возможным вариантом, поскольку снаружи обычно давление выше, чем внутри, а внешняя вентиляция невозможна пассивными средствами.
Аварийный кислород, подаваемый пассажирам коммерческих авиалайнеров, в салоне которых разгерметизировалось, также является базовой формой встроенной системы дыхания, где кислород вырабатывается и подается постоянным потоком в течение ограниченного периода времени, которого должно быть достаточно, чтобы позволить самолету безопасно снизиться до высоты, где содержание кислорода в окружающем воздухе достаточно для поддержания сознания. Эти системы выпускают воздух во внутреннее пространство.
Дымозащитные капюшоны и другие средства индивидуальной защиты органов дыхания используются во многих промышленных условиях, где они могут потребоваться для эвакуации людей из здания в случае пожара или другого инцидента, который может ухудшить качество окружающего воздуха, но при этом, скорее всего, останется достаточно кислорода для поддержания необходимой активности.
Аварийные и спасательные дыхательные аппараты могут обеспечивать подачу очищенного окружающего воздуха, если он содержит достаточно кислорода и его очистка практически осуществима, или могут подавать запасенный дыхательный газ, который, как известно, пригоден для вдыхания.
Дополнительный кислород — это кислород, дополнительный к тому, который доступен из атмосферного воздуха при давлении окружающей среды. Это может быть необходимо или желательно в гипобарических условиях или в медицинских целях при любом режиме давления. При использовании дополнительного кислорода часто оговаривается скорость потока, но для достижения желаемого результата важно парциальное давление в альвеолах, которое сильно зависит от системы подачи дыхательного аппарата и давления окружающей среды. Системы, обеспечивающие постоянную скорость потока кислорода открытого контура в носу или во рту, будут тратить много газа в мертвое пространство и во время выдоха.
Ребризер замкнутого цикла очень эффективен для сохранения запасенного кислорода, но он не использует окружающий кислород, поэтому его эффективность в минимизации использования запасенного кислорода зависит от того, где он используется. Он наиболее применим там, где невозможно использовать обогащенный окружающий газ, либо потому, что его нет (под водой и в космосе), либо потому, что его давление слишком низкое (на большой высоте), либо потому, что он не содержит полезного парциального давления кислорода, либо потому, что загрязняющие вещества делают риск неприемлемым.
Доставка дополнительного кислорода открытого контура наиболее эффективна, если она осуществляется в точке дыхательного цикла, когда он будет вдыхаться в альвеолы, где происходит перенос газа. Это происходит во время первой части вдоха. Кислород, доставленный позже в цикле, будет вдыхаться в физиологическое мертвое пространство , где он не служит никакой полезной цели, поскольку не может диффундировать в кровь. Кислород, доставленный на стадиях дыхательного цикла, на которых он не вдыхается, также тратится впустую, если только он не хранится временно. [43]
Непрерывный постоянный расход, подаваемый в рот и нос, использует простой регулятор, но неэффективен, так как большой процент подаваемого газа не достигает альвеол, а более половины вообще не вдыхается. Система, которая накапливает кислород свободного потока во время стадий покоя и выдоха ( резервуарные канюли , частичные маски ребризера и нерециркуляторные маски ), делает большую часть кислорода доступной для вдыхания, и он будет выборочно вдыхаться во время начальной части вдоха, которая достигает самого дальнего конца легких, а также может восстановить объем, вдыхаемый в мертвое пространство, для повторного использования при следующем вдохе, если он может быть размещен в резервуарном мешке. Расход должен соответствовать объему хранения дыхательного интерфейса и дыхательному объему и частоте дыхания пользователя для лучшей эффективности, а дыхательный объем и частота дыхания могут значительно меняться в течение короткого периода времени при изменении нагрузки, поэтому эти методы не очень эффективны для активного пользователя.
Доставка с помощью клапана по требованию позволяет избежать потерь кислорода, когда пользователь не вдыхает активно, а в сочетании с соответствующим образом откалиброванным разбавляющим отверстием может сохранить большую часть запасенного кислорода, но при этом кислород по-прежнему расходуется на заполнение анатомических и механических мертвых пространств, и это требует некоторых физических усилий со стороны пользователя.
С 1980-х годов появились устройства, которые сохраняют запасенный кислород, поставляя его на этапе дыхательного цикла, когда он используется более эффективно. Это приводит к тому, что запасенный кислород сохраняется дольше или становится практичной меньшая, а значит, более легкая, портативная система доставки кислорода. Этот класс устройств также может использоваться с портативными концентраторами кислорода, что делает их более эффективными. [43]
Устройство для сохранения дозы кислорода импульсом (или устройство импульса по требованию) определяет начало вдоха и обеспечивает дозированный болюс, который, если правильно подобран в соответствии с требованиями, будет достаточным и эффективно вдыхаемым в альвеолы. Такие системы могут управляться пневматически или электрически. [43]
Системы адаптивного спроса являются развитием доставки импульсного спроса. Это устройства, которые автоматически регулируют объем импульсного болюса в соответствии с уровнем активности пользователя. Этот адаптивный ответ предназначен для уменьшения реакций десатурации, вызванных изменением скорости упражнений. [43] Выдыхаемый газ из этих устройств выбрасывается в окружающую среду, и кислород теряется, поэтому они менее газоэффективны, чем ребризеры замкнутого цикла, но не имеют очистителя углекислого газа или дыхательных мешков, что является экономией веса и объема, и используют кислород, имеющийся в окружающем воздухе, поэтому их эффективность выше на более низких высотах.
Дыхательный аппарат для альпинизма обеспечивает кислород в более высокой концентрации, чем доступный из атмосферного воздуха в естественной гипоксической среде. Вдыхание чистого кислорода приводит к повышению парциального давления кислорода в крови: альпинист, дышащий чистым кислородом на вершине Эвереста, имеет большее парциальное давление артериального кислорода, чем дышащий воздухом на уровне моря. Это приводит к возможности прилагать большие физические усилия на высоте. Оборудование должно быть легким и надежным в условиях сильного холода, в том числе не задыхаться от отложений инея из выдыхаемого газа, который насыщен водяным паром при температуре тела. [44]
Для альпинизма на больших высотах, где пользователь должен нести запасенный кислород, желательно максимизировать выносливость набора за счет эффективного использования газа. [15] Теоретически доступные системы доставки: система постоянного потока без резервуара, которая проста и надежна, но чрезвычайно расточительна, система постоянного потока с резервуаром, которая при соответствии потребностям пользователя более эффективна, чем простой постоянный поток, и также относительно проста и надежна, система клапана потребности, которая автоматически следует потребностям пользователя, но также тратит значительную часть вдыхаемого газа на мертвое пространство, система импульсной дозы потребности, которая тратит меньше газа на мертвое пространство, но полагается на относительно сложную систему управления, что приводит к проблемам с надежностью, или система замкнутого контура, которая очень эффективна, но требует скруббера углекислого газа. Экзотермическая реакция поглощения углекислого газа ребризером помогает предотвратить замерзание содержимого скруббера во время его использования и помогает снизить потери тепла пользователем, но он громоздкий и тяжелый, и чувствителен к замерзанию, когда не используется постоянно. [26] Как химически сгенерированный, так и сжатый газообразный кислород использовались в экспериментальных системах кислородного альпинизма с замкнутым контуром, но в полевых условиях обычно использовался открытый контур с постоянным потоком, использующий резервуарную маску, хотя это относительно расточительно, поскольку оборудование является надежным. [45] [15]
Хотя существует значительное сходство в основных условиях, в которых используются авиационные и альпинистские дыхательные аппараты, существуют различия, достаточные для того, чтобы сделать прямое переносимое использование оборудования в целом нецелесообразным. Одним из основных соображений является то, что, в отличие от летчика, альпинист не может быстро спуститься на безопасную высоту, если оборудование выйдет из строя, поэтому оно должно быть надежным. Другое заключается в том, что альпинист должен лично нести дыхательный аппарат, поэтому преимущество, получаемое от дыхания дополнительным кислородом, должно превышать недостаток от переноски дополнительного объема и веса оборудования. Другие требования заключаются в том, что дополнительная работа дыхания должна быть низкой, оборудование должно функционировать при низких температурах, а также желательно сохранение тепла и влаги. Диапазон высот для альпинизма также ограничен, нет требований к герметизации. [26]
Кислородная терапия — это использование дополнительного кислорода в качестве медицинской терапии . [46] Острые показания для терапии включают гипоксемию (низкий уровень кислорода в крови), отравление угарным газом , кластерную головную боль и декомпрессионную болезнь . Она также может быть назначена профилактически для поддержания уровня кислорода в крови во время индукции анестезии . [47] Кислородная терапия часто полезна при хронической гипоксемии, вызванной такими состояниями, как тяжелая ХОБЛ или муковисцидоз . [48] [46] Вводимое парциальное давление варьируется от низких скоростей потока, дающих небольшое увеличение по сравнению с окружающим воздухом, до 2,8 бар абсолютного, используемых при гипербарической кислородной терапии декомпрессионной болезни и некоторых других показаниях. Кислород может подаваться спонтанно дышащим пациентам через носовую канюлю , лицевую маску , искусственные дыхательные пути или встроенную маску дыхательной системы или кислородный колпак в барокамере . [49] [50] Доставка может осуществляться непрерывным потоком, с помощью маски-мешка , по требованию или по импульсному требованию . [43]
Пациентам, которые не могут дышать самостоятельно, дыхательный газ подается с помощью аппарата искусственной вентиляции легких или реаниматора. [51]
Анестезиологический аппарат ( британский вариант английского языка ) или анестезиологический аппарат ( американский вариант английского языка ) — это медицинское устройство, используемое для создания и смешивания свежего газового потока медицинских газов и ингаляционных анестетиков с целью индукции и поддержания анестезии . [52]
Анестезиологический аппарат обычно используется вместе с аппаратом искусственной вентиляции легких , дыхательной системой , отсасывающим оборудованием и устройствами для мониторинга пациента ; строго говоря, термин «анестезиологический аппарат» относится только к компоненту, который генерирует поток газа, но современные аппараты обычно объединяют все эти устройства в один объединенный отдельно стоящий блок, который для простоты в разговорной речи называют анестезиологическим аппаратом. В развитом мире наиболее часто используемым типом является анестезиологический аппарат с непрерывным потоком , который предназначен для обеспечения подачи медицинских газов, смешанных с точной концентрацией анестезирующего пара, и для непрерывной доставки его пациенту при безопасном давлении и потоке. Это отличается от анестезиологических аппаратов с прерывистым потоком , которые обеспечивают поток газа только по требованию, когда они запускаются собственным вдохом пациента.
Искусственная вентиляция легких — это подача дыхательного газа пользователю с помощью аппарата искусственной вентиляции легких или реаниматора, когда пользователь не в состоянии обеспечить движущие силы для создания потока газа. Такая искусственная вентиляция легких является характеристикой реанимации и может быть обеспечена медицинскими аппаратами искусственной вентиляции легких при необходимости. Два основных типа искусственной вентиляции легких можно различить по механизму ограничения. Некоторые из них управляются давлением, при котором подача прекращается при достижении предельного давления, а другие управляются объемом, при котором заданный объем подается для каждого вдоха. Оба этих метода имеют ограничения и могут работать неоптимально в некоторых обстоятельствах. [51]
Аппарат ИВЛ — это тип оборудования, которое обеспечивает искусственную вентиляцию легких , перемещая вдыхаемый воздух в легкие и из них , чтобы обеспечить дыхание пациенту, который физически не может дышать или дышит недостаточно. Аппараты ИВЛ — это компьютеризированные микропроцессорные машины, но пациентов также можно вентилировать с помощью простой ручного мешка с клапаном . Аппараты ИВЛ в основном используются в интенсивной терапии , уходе на дому и неотложной медицине (как отдельные устройства) и в анестезиологии (как компонент наркозного аппарата ).
Реанимационный аппарат — это устройство, использующее положительное давление для наполнения легких человека без сознания , который не дышит , чтобы поддерживать его кислородом и жизнью. [53]
Между аппаратом искусственной вентиляции легких и реаниматором существует значительное совпадение . Разница может заключаться в основном в способе использования оборудования.
Существует три режима искусственной вентиляции легких, которые являются способами, с помощью которых дыхание доставляется медицинским аппаратом ИВЛ: В режиме управления каждое дыхание доставляется механически, но может быть вызвано механизмом синхронизации или усилием пациента. Эти дыхания могут контролироваться объемом или давлением. В поддерживаемом или спонтанном режиме каждое дыхание инициируется пациентом и поддерживается аппаратом ИВЛ. В комбинированном режиме существует комбинация контролируемого и поддерживаемого дыхания, и может быть комбинация контролируемого объема и поддерживаемого или контролируемого дыхания. [54]
Высотный дыхательный аппарат используется в авиации в качестве стандартного оборудования в негерметичных самолетах, способных совершать полеты на большой высоте, в качестве аварийно-спасательного оборудования в негерметичных самолетах, а также в высотном альпинизме.
На большой высоте , от 1500 до 3500 метров (от 4900 до 11500 футов), наблюдаются физиологические эффекты пониженного парциального давления кислорода, которые включают снижение производительности упражнений и увеличение частоты дыхания. Насыщение артериальной крови кислородом обычно все еще превышает 90% у здоровых людей, но артериальное P O 2 снижается. [55]
На очень большой высоте , от 3500 до 5500 метров (от 11500 до 18000 футов), насыщение артериальной крови кислородом падает ниже 90%, а артериальное P O2 снижается до такой степени, что во время физических упражнений и сна может возникнуть экстремальная гипоксемия , а при возникновении отёка лёгких на большой высоте . В этом диапазоне часто встречается тяжёлая горная болезнь. [55]
На экстремальной высоте , выше 5500 метров (18000 футов), можно ожидать значительной гипоксемии, гипокапнии и алкалоза с прогрессирующим ухудшением физиологических функций, которое превышает акклиматизацию. Следовательно, в этом диапазоне высот нет человеческого жилья. [55]
В районе от уровня моря до высоты около 3000 м (10 000 футов), известном как физиологически эффективная зона , уровень кислорода обычно достаточно высок, чтобы человек мог функционировать без дополнительного кислорода , а высотная декомпрессионная болезнь встречается редко.
Зона физиологического дефицита простирается от 3600 м (12 000 футов) до примерно 15 000 м (50 000 футов). В этой зоне существует повышенный риск гипоксии , дисбаризма захваченного газа (когда газ, захваченный в организме, расширяется) и дисбаризма выделяющегося газа (когда растворенные газы, такие как азот, могут образовываться в тканях, т. е. декомпрессионная болезнь ). [56] Выше примерно 4300 м (14 000 футов) требуется дыхательная смесь , богатая кислородом, чтобы приблизиться к кислороду, доступному в нижних слоях атмосферы, [23] в то время как выше 12 000 м (40 000 футов) кислород должен подаваться под положительным давлением. Выше 15 000 м (49 000 футов) дыхание невозможно, поскольку давление, при котором легкие выделяют углекислый газ (примерно 87 мм рт. ст.), превышает давление наружного воздуха. [ необходима цитата ] Выше 19 000 м (62 000 футов), известной как предел Армстронга , открытые жидкости в горле и легких будут кипеть при нормальной температуре тела, и необходимы скафандры. Обычно для поддержания эквивалентной высоты 3 000 м (10 000 футов) используется 100% кислород.
Люди могут акклиматизироваться на высоте от 5200 до 5500 метров (от 17 000 до 18 000 футов), если они остаются на большой высоте достаточно долго, но для спасательных работ на большой высоте спасательные команды должны быть быстро развернуты, а времени, необходимого для акклиматизации, нет, что делает необходимым использование кислородного дыхательного оборудования на высоте более 3700 метров (12 000 футов). [15]
Парциальное давление кислорода, эквивалентное уровню моря, может поддерживаться на высоте 10 000 метров (34 000 футов) при 100%-ном кислороде. Выше 12 000 метров (40 000 футов) дыхание под положительным давлением с 100%-ным кислородом имеет важное значение, так как без положительного давления даже очень кратковременное пребывание на высоте более 13 000 метров (43 000 футов) приводит к потере сознания. [57] Устройства сохранения кислорода могут использоваться с дыхательными аппаратами открытого цикла для повышения эффективности использования газа на более низких высотах, где дыхание под давлением окружающей среды является жизнеспособным.
На достаточно больших высотах парциальное давление кислорода в воздухе недостаточно для поддержания полезной работы и сознания, даже после акклиматизации, а на еще больших высотах оно не может поддерживать человеческую жизнь. На высотах, где проблемой является гипоксия, дыхательный газ с более высоким содержанием кислорода при давлении окружающей среды является жизнеспособным решением. Дополнительный кислород, достаточный для обеспечения эквивалентной высоты герметичной кабины самолета (около 8000 футов), достаточен для многих целей, но более высокие концентрации, такие как эквивалент уровня моря (P O 2 около 0,21 бар), могут обеспечить большую способность к аэробной работе. Этому противостоит необходимость экономии кислорода и минимизации веса, переносимого пользователем дыхательного аппарата.
В случаях, когда пользователю необходимо нести дополнительный запас кислорода, а также выполнять значительную работу в течение довольно длительного периода, как, например, при альпинизме и спасательных работах, эффективность использования кислорода и надежность дыхательного аппарата становятся более важными, и существует компромисс между этими характеристиками и весом, который необходимо переносить.
Количество дополнительного кислорода, необходимое для приведения вдыхаемого парциального давления к эквиваленту уровня моря или любому другому фиксированному значению, большему, чем давление окружающей атмосферы, является функцией высоты и увеличивается с увеличением высоты прямо пропорционально падению давления. Количество фактически используемого дополнительного кислорода также пропорционально минутному объему дыхания , который зависит от уровня нагрузки.
Когда нет ограничений на потребление энергии и работа должна выполняться в фиксированном месте, эффективным решением могут быть концентраторы кислорода. [6] Концентратор кислорода — это устройство, которое концентрирует кислород из источника газа (обычно окружающего воздуха) путем выборочного удаления азота для подачи обогащенного кислородом потока продуктового газа. Они также используются в промышленности и в качестве медицинских устройств для кислородной терапии . [58] Два широко используемых метода — это адсорбция при переменном давлении и мембранное разделение газа . Они наиболее эффективны, когда дополнительный кислород не должен иметь высокий процент.
Кислородные концентраторы с адсорбцией при переменном давлении используют молекулярное сито для адсорбции газов и работают по принципу быстрой адсорбции при переменном давлении атмосферного азота на цеолитовых минералах при высоком давлении. Таким образом, этот тип адсорбционной системы функционально является азотным скруббером, пропускающим другие атмосферные газы, а кислород остается в качестве основного газа. [59] Газоразделение через мембрану также является процессом, управляемым давлением, где движущей силой является разница в давлении между входом сырья и выходом продукта. Мембрана, используемая в процессе, обычно представляет собой непористый слой, поэтому не будет серьезной утечки газа через мембрану. Производительность мембраны зависит от проницаемости и селективности. Проницаемость зависит от размера пенетранта. Более крупные молекулы газа имеют более низкий коэффициент диффузии. Мембранное газоразделительное оборудование обычно закачивает газ в мембранный модуль, и целевые газы разделяются на основе разницы в диффузии и растворимости. [60] Продуктовый газ может быть доставлен непосредственно пользователю через подходящий дыхательный аппарат.
Импульсные дозовые (также называемые прерывистыми или по требованию) портативные концентраторы кислорода являются самыми маленькими устройствами, которые могут весить всего 2,3 килограмма (5 фунтов). Их небольшой размер позволяет пользователю тратить меньше энергии, получаемой от лечения, на их переноску. Устройство подает заданный объем (болюс) обогащенного кислородом воздуха в начале каждого вдоха, который является частью вдоха, которая с наибольшей вероятностью достигнет областей газообмена легких за пределами физиологического мертвого пространства. Их способность эффективно использовать кислород является ключом к сохранению компактности устройств. [61]
В системе замкнутого цикла весь неиспользованный кислород удерживается и повторно вдыхается, поэтому его использование близко к 100%, при этом возможны некоторые потери из-за расширения на высоте и случайной утечки из дыхательного контура.
Существует риск легочной кислородной интоксикации , если давление кислорода превышает примерно 0,5 бар в течение длительного времени, что может произойти на высоте ниже 5500 м, где атмосферное давление составляет примерно половину значения на уровне моря. [31]
Закрытый контур кислородного ребризера является наиболее эффективным с точки зрения использования кислорода, но он относительно громоздкий и требует использования абсорбента углекислого газа, который должен быть либо достаточным для подачи кислорода, либо должен периодически заменяться. Если подача кислорода прекращается, газ контура может стать более гипоксичным, чем окружающая атмосфера, если контур не был должным образом продут или если он загрязнен окружающим воздухом. При отсутствии контроля кислорода пользователь может не заметить снижения концентрации кислорода. [15]
Замкнутая кислородная система была испытана Томом Бурдиллоном и Чарльзом Эвансом во время британской экспедиции на Эверест в 1953 году. [15]
Регулятор расхода дилютора был разработан и широко использовался для полетов на большой высоте во время Второй мировой войны. Регулятор расхода дилютора втягивает окружающий воздух в маску через отверстие в регуляторе, одновременно питаясь чистым кислородом через клапан расхода в регуляторе. Для авиационного использования размер отверстия окружающего воздуха контролируется оператором анероидного клапана и прямо пропорционален атмосферному давлению. По мере увеличения высоты давление уменьшается, а отверстие становится меньше, поэтому пользователь получает большую долю кислорода, и при правильной калибровке парциальное давление кислорода в смеси остается довольно постоянным на уровне, аналогичном 0,21 бар на уровне моря. Эта система эффективно использует комбинацию окружающего и сохраненного кислорода. [15] Функцию оператора анероидного клапана можно заменить для наземного использования более простой, легкой и более прочной ручкой селектора диафрагмы с ручным управлением, что дает ступенчатый диапазон концентраций, который легче, надежнее, немного менее эффективен и требует соответствующего выбора пользователем. Он также позволяет пользователю вручную регулировать смесь в соответствии с личными потребностями. Поскольку он выбирается вручную, он менее пригоден для полетов и более подходит для пешеходов, которые не будут быстро менять высоту. [15] Расходы через диафрагму и регулятор чувствительны к расходу вдыхания и могут быть спроектированы так, чтобы обеспечивать несколько более высокое парциальное давление кислорода при более высоких расходах вдыхания, что помогает компенсировать более высокие нагрузки. [15]
Это зона, где 100% кислорода при давлении окружающей среды недостаточно, и требуется некоторая форма наддува, чтобы обеспечить жизнеспособное давление вдыхаемого кислорода. Варианты — частичная наддува и полная наддува.
Скафандр — защитный костюм , который носят пилоты, летающие на большой высоте, которые могут летать на высотах, где давление воздуха слишком низкое для выживания незащищенного человека, даже дыша чистым кислородом при положительном давлении . Такие костюмы могут быть либо с полным давлением (например, космический скафандр ), либо с частичным давлением (используемый летным экипажем ). Костюмы с частичным давлением работают, обеспечивая механическое противодавление для облегчения дыхания на высоте.
Космический костюм — это одежда, которую носят, чтобы поддерживать жизнь человека в суровых условиях открытого космоса , в первую очередь, как защиту от вакуума и экстремальных температур. Дыхательным газом является чистый кислород, который обеспечивает самое низкое давление в костюме. Космические костюмы часто надевают внутри космического корабля в качестве меры предосторожности в случае потери давления в кабине и они необходимы для внекорабельной деятельности (EVA). Современные космические костюмы дополняют базовую герметичную одежду сложной системой оборудования и экологических систем, разработанных для поддержания комфорта пользователя и минимизации усилий, необходимых для сгибания конечностей, сопротивляясь естественной тенденции мягкой герметичной одежды застывать под действием вакуума. Для обеспечения большей свободы движений, независимо от космического корабля, может использоваться автономная система подачи кислорода и контроля окружающей среды. [21]
Существует три типа скафандров для разных целей: IVA (внутрикорабельная деятельность), EVA (внекорабельная деятельность) и IEVA (внутри/внекорабельная деятельность). Костюмы IVA предназначены для ношения внутри герметичного космического корабля, и поэтому они легче и удобнее. Костюмы IEVA предназначены для использования внутри и снаружи космического корабля, например, костюм Gemini G4C . Они включают в себя большую защиту от суровых условий космоса, таких как защита от микрометеоритов и экстремальных перепадов температур. Костюмы EVA, такие как EMU , используются вне космического корабля, либо для исследования планет, либо для выхода в открытый космос. Они должны защищать владельца от всех условий космоса, а также обеспечивать мобильность и функциональность. [21]
Дыхательный аппарат обычно используется в качестве индивидуального защитного средства, и пользователь должен быть в большей безопасности, используя его, чем без него в той же среде, если это необходимо, но существуют опасности, связанные с его использованием. Некоторые из них специфичны для аппарата, а другие носят более общий характер. Наиболее очевидными общими опасностями являются потеря подачи газа, загрязнение подачи газа и ненадлежащая подача газа. Последствия могут включать гипоксию, гипероксию, гиперкапнию и отравление или инфекцию из-за загрязнения дыхательного газа из-за утечек. Там, где предусмотрены высокие концентрации кислорода, может возникнуть опасность пожара, там, где используется хранение газа под высоким давлением, существуют опасности, связанные с оборудованием высокого давления, а там, где используется жидкий кислород, существуют опасности экстремального холода. [62]
Обычные методы управления рисками включают стандарты проектирования, контроль качества во время производства, тестирование и сертификацию оборудования, соответствующее обучение операторов, регулирование использования в соответствии с конкретным оборудованием и ситуациями, в которых оно используется, и правильный выбор оборудования для ситуации. Для некоторого оборудования требуется надлежащее обслуживание и предварительный осмотр и тестирование.
Дыхательные аппараты нескольких типов могут влиять на физическую работоспособность пользователя, если они вызывают дополнительное сопротивление дыханию или мертвое пространство из-за веса, который необходимо переносить. Эффекты - изменения в характере дыхания, гиповентиляция и связанная с этим задержка углекислого газа из-за увеличения работы дыхания . Эти эффекты более очевидны во время тяжелой физической работы, и максимальная работоспособность снижается. [63]
Человеческий фактор в конструкции дыхательного аппарата — это влияние взаимодействия между пользователем и оборудованием на конструкцию оборудования. Пользователь дыхательного аппарата полагается на оборудование, чтобы оставаться живым или здоровым, в разумном комфорте и выполнять задачи, требуемые во время использования оборудования. Конструкция оборудования может сильно влиять на его эффективность в выполнении желаемых функций. Оно должно быть удобным для ношения и не вызывать стрессовых травм или аллергических реакций на компоненты материалов. Оно должно быть надежным и не должно требовать постоянного внимания или регулировки во время использования, и, по возможности, производительность должна постепенно ухудшаться в случае неисправностей, давая время для принятия корректирующих мер с минимальным риском. [64] Оно не должно чрезмерно обременять пользователя своим весом или излишне снижать работоспособность за счет мертвого пространства, увеличенной работы дыхания или затруднения зрения. [63]
Пользователи значительно различаются по антропометрическим размерам , физической силе , выносливости, гибкости суставов и т. д. Дыхательный аппарат должен обеспечивать максимально возможный диапазон физических функций и должен соответствовать пользователю, окружающей среде и задаче. Интерфейс между оборудованием и пользователем может сильно влиять на функциональность. [65] Дыхательный аппарат может использоваться широким кругом пользователей и должен работать для всех них. В тех случаях, когда правильная эксплуатация и использование оборудования имеют решающее значение для безопасности пользователя, желательно, чтобы различные марки и модели для одного и того же применения работали одинаково, чтобы облегчить быстрое ознакомление с новым оборудованием. В тех случаях, когда это невозможно, может потребоваться дополнительное обучение требуемым навыкам, а для медицинских вмешательств может потребоваться, чтобы квалифицированный оператор настраивал аппарат и контролировал его работу во время использования. [66]
Пользователь дыхательного аппарата может получить поддержку от команды, которая готова оказать помощь в объеме, необходимом для снижения риска, связанного с использованием аппарата, до уровня, приемлемого с точки зрения регулирующих положений и кодексов практики. [67] [68] [69]
Дыхательный аппарат используется для облегчения дыхания в опасных условиях или когда пользователю нужна помощь для адекватного дыхания. Основные требования — поддерживать жизнь и здоровье пользователя во время и после использования. Вторичные требования включают обеспечение комфорта пользователя и достаточной емкости для выполнения предполагаемых действий. Пользователь является неотъемлемой частью системы, которая может полагаться на компетентность пользователя, а также на правильное функционирование оборудования для безопасной эксплуатации. [70]
Отказоустойчивость — это свойство, которое позволяет системе продолжать работать должным образом в случае отказа некоторых ее компонентов. Если ее качество работы вообще ухудшается, то это снижение пропорционально серьезности отказа по сравнению с наивно спроектированной системой, в которой даже небольшой отказ может вызвать полный отказ. Отказоустойчивость особенно важна в системах с высокой доступностью или критически важных для безопасности . Способность сохранять функциональность при выходе из строя частей системы называется « изящной деградацией ». [71] Некоторые элементы дыхательного аппарата и пользователь могут рассматриваться как критически важные для безопасности компоненты системы и, следовательно, должны быть терпимы к отказам. В случае пользователя это достигается достаточной пригодностью для выполнения предполагаемой задачи, компетентностью и ситуационной осведомленностью . Необходимо выбирать оборудование, которое подходит для конкретного использования и может быть спроектировано, изготовлено и обслуживаться для обеспечения соответствующей отказоустойчивости. Хороший эргономичный дизайн сводит к минимуму возможность ошибки пользователя.
Дыхательный аппарат должен позволять пользователю дышать с минимальной дополнительной работой дыхания и сводить к минимуму дополнительное мертвое пространство .
Работа дыхания (WOB) — это энергия, затрачиваемая на вдох и выдох дыхательного газа . Обычно она выражается как работа на единицу объема, например, джоули/литр, или как скорость работы (мощность), например, джоули/мин или эквивалентные единицы, поскольку она не особенно полезна без ссылки на объем или время. Ее можно рассчитать в терминах легочного давления, умноженного на изменение легочного объема, или в терминах потребления кислорода, приписываемого дыханию. [72]
Общая работа дыхания при использовании дыхательного аппарата представляет собой сумму физиологической работы дыхания и механической работы дыхания аппарата. В нормальном состоянии покоя физиологическая работа дыхания составляет около 5% от общего потребления кислорода организмом. Она может значительно увеличиться из-за болезни [73] или ограничений потока газа, налагаемых дыхательным аппаратом, давлением окружающей среды или составом дыхательного газа. [74]
Дыхательные маски и водолазные шлемы обеспечивают подачу дыхательного газа пользователю. Другие функции могут отличаться или частично перекрываться. [75]
Если маска предназначена для использования в агрессивной среде и необходимо предотвратить загрязнение подачи газа, маска должна образовывать герметичное или водонепроницаемое уплотнение по краям, независимо от положения пользователя. Это уплотнение находится между эластомерной юбкой маски и кожей лица. Подгонка маски влияет на герметичность и комфорт и должна учитывать изменчивость форм и размеров лица. Это меньшая проблема с полнолицевыми масками и еще меньшая проблема с водолазными шлемами, но на них влияют другие проблемы, такие как общий размер головы, длина и окружность шеи, поэтому все еще существует необходимость в регулировке и нескольких вариантах размера. [31]
Уплотнения могут быть нарушены из-за попадания волос под уплотнение, а объем утечки будет зависеть от количества волос и, в некоторых случаях, от положения поврежденной части уплотнения. [31]
Газовое пространство в дыхательной маске по своей сути является самовыравнивающимся для разумно постепенных изменений давления. Если маска должна использоваться там, где давление окружающей среды может значительно меняться, пользователь должен иметь возможность выравнивать давление в средних ушах, что для многих людей требует метода блокировки ноздрей. [31]
Водолазные шлемы и большинство полнолицевых масок не позволяют пользователю достать пальцем до носа, и были испробованы различные механические средства с разным уровнем комфорта и удобства. [76] [31] Маски для дополнительного кислорода могут быть достаточно мягкими, чтобы закрыть нос при надетой маске, или их можно временно снять. Маски для использования в загрязненной атмосфере обычно используются при постоянном давлении окружающей среды, поэтому эта проблема может не возникнуть.
Поле зрения пользователя полнолицевой дыхательной маски или шлема уменьшается из-за непрозрачных частей шлема или маски. Периферийное зрение может быть особенно уменьшено в нижних областях из-за объема регулирующего клапана. Конструкция шлема представляет собой компромисс между малой массой и инерцией, с относительно небольшим внутренним объемом и смотровыми окнами, обеспечивающими ограниченное поле зрения, и большими смотровыми окнами с большим внутренним объемом. Расположение смотрового окна близко к глазам помогает обеспечить лучший обзор, но осложняется необходимостью достаточного зазора перед носом для широкого круга дайверов. Цилиндрически изогнутые смотровые окна могут вносить визуальные искажения под водой, что может снизить эффективность дайвера при оценке расстояния, но распространены в масках, используемых в воздухе. Сферические поверхности смотровых окон обычно используются в современных атмосферных костюмах по структурным причинам и хорошо работают, когда внутренний объем достаточно большой. Их можно сделать достаточно широкими для адекватного периферического зрения. Поле зрения в шлемах зависит от подвижности шлема. Шлем, непосредственно поддерживаемый головой, может вращаться вместе с головой, позволяя пользователю направлять иллюминатор на цель, но периферийное зрение ограничено размерами иллюминатора. Вес в воздухе и неуравновешенные силы плавучести при погружении должны переноситься шеей, а инерционные и гидродинамические нагрузки должны переноситься шеей. Шлем, закрепленный на нагруднике или скафандре, поддерживается туловищем, которое может безопасно выдерживать гораздо большие нагрузки, но он не вращается вместе с головой. Вся верхняя часть тела должна вращаться, чтобы направлять поле зрения. Это делает необходимым использование больших иллюминаторов, чтобы у пользователя было приемлемое поле зрения в моменты, когда вращение тела нецелесообразно. Необходимость вращения головы внутри неповоротного шлема требует внутреннего зазора, следовательно, большого объема.
Внутренняя поверхность смотрового окна маски или шлема имеет тенденцию к запотеванию, когда внешняя среда холоднее, чем точка росы газа внутри, где крошечные капельки конденсированной воды рассеивают свет, проходящий через прозрачный материал, размывая вид. Обработка внутренней поверхности поверхностно-активным веществом для предотвращения запотевания может уменьшить запотевание, но оно может произойти в любом случае, и должна быть возможность активного удаления запотевания, либо промывая его водой, либо продувая его сухим воздухом, пока он не станет прозрачным. На стандартных шлемах может быть предусмотрен кран для промывания. Шлемы по требованию могут иметь клапан подачи свободного потока, который направляет сухой воздух на внутреннюю часть лицевой части. Полнолицевые маски для дайвинга могут использовать либо промывание, либо свободный поток, в зависимости от того, предназначены ли они в первую очередь для подводного плавания или подачи с поверхности. Полнолицевые маски и шлемы также могут направлять поток свежего сухого газа по внутренней поверхности смотрового окна до его вдыхания и предотвращать попадание теплого влажного выдыхаемого газа на лицевую панель с помощью оро-назальной вставки с обратным клапаном на пути потока выхлопных газов. В ситуациях, когда промывание не является вариантом, на поверхность смотрового окна можно нанести поверхностно-активное вещество, препятствующее запотеванию, чтобы предотвратить образование капель. Для удаления конденсата со смотрового окна иногда также используется ручная щетка стеклоочистителя.
Пользователи, которым нужна оптическая коррекция, имеют выбор. Контактные линзы можно носить под всеми типами масок и шлемов. Обычные очки можно носить в большинстве шлемов, но их нельзя отрегулировать. Корректирующие линзы можно установить на внутреннюю часть некоторых полнолицевых масок, но расстояние от глаз до линз может быть неоптимальным. Доступны бифокальные конструкции. Предотвращение запотевания склеенных линз такое же, как и для обычного стекла.
Дыхательный аппарат открытого цикла для дайвинга производит пузырьки выдыхаемого газа в выпускных отверстиях. Системы свободного потока производят самые большие объемы, но выпускное отверстие может находиться за смотровыми окнами, чтобы не загораживать обзор водолаза. Системы с потребностью должны иметь диафрагму второй ступени и выпускные отверстия примерно на той же глубине, что и рот или легкие, чтобы минимизировать работу дыхания. Чтобы получить постоянное дыхательное усилие для диапазона поз, которые может потребоваться водолазу, это наиболее осуществимо, когда выпускные отверстия и клапаны находятся близко ко рту, поэтому требуется некоторая форма воздуховода, чтобы направить пузырьки от смотровых окон шлема или маски. Обычно это отводит выхлопные газы вокруг головы, где они, как правило, довольно шумные, поскольку пузырьки поднимаются мимо ушей. Системы замкнутого цикла выпускают гораздо меньше газа, который может быть выпущен позади водолаза, и работают значительно тише. Системы диффузоров были опробованы, но не имели успеха для оборудования открытого цикла, хотя они использовались в ребризерах, где они улучшают характеристики скрытности.
Маски, удерживаемые на месте регулируемыми ремнями, могут быть сбиты или смещены из правильного положения, что позволяет окружающей среде или воде проникнуть внутрь и потерять дыхательный газ. Полнолицевые дыхательные маски легче смещаются из-за их размера и должны быть более надежно закреплены, обычно 4 или 5 регулируемыми ремнями, соединенными на затылке, но они могут сместиться, поэтому у пользователя должна быть возможность повторно надеть их и достаточно продуть маску, чтобы продолжить дышать. Шлемы закреплены гораздо надежнее, и если они слетают с головы, это считается чрезвычайной ситуацией.
Объем мертвого пространства важен для всех дыхательных аппаратов. Внутренние ороназальные маски часто используются для минимизации внутреннего мертвого пространства в шлемах и полнолицевых масках, а также могут уменьшить тенденцию к запотеванию внутренней поверхности смотрового окна.
Легкий водолазный шлем оснащен балластом, обеспечивающим практически нейтральную плавучесть под водой, поэтому он не создает чрезмерной статической нагрузки на шею.
Шлемы для дайвинга с свободным потоком компенсируют потенциально большое мертвое пространство высокой скоростью потока газа, так что выдыхаемый газ вымывается, прежде чем его можно будет снова вдохнуть. Они, как правило, имеют большой внутренний объем и тяжелее шлемов по требованию, и обычно опираются на плечи, чтобы предотвратить перенапряжение шеи, поэтому не двигайте головой. Под водой избыточная плавучесть компенсируется присоединением к системе утяжеления дайвера или с помощью лямок-фиксаторов .
Когда пользователь должен нести запас газа, вес, баланс и инерция аппарата и распределение нагрузки в подвесной системе могут иметь большое значение для комфорта и безопасности, особенно когда пользователю может потребоваться выполнять тяжелую работу в сложных условиях, например, при тушении пожаров, спасательных работах и альпинизме. Пользователь должен иметь как можно больше свободы движений, и по крайней мере достаточной для безопасного выполнения ожидаемых задач, в то время как комплект должен оставаться надежно на месте во время необходимых маневров. Доступ к клапанам и манометру важен для управления газом, и полезно, когда оборудование используется командой, чтобы его можно было легко и быстро отрегулировать в соответствии с индивидуальными особенностями. Для дайвинга плавучесть и распределение плавучести важны для безопасности.
Для дыхательных аппаратов с поставляемым газом обычно крайне нежелательно и вполне может быть чрезвычайной ситуацией, если газ неожиданно закончится. Мониторинг оставшегося газа, своевременное определение низких уровней газа для принятия соответствующих мер и, при необходимости, аварийное отключение в доступной резервной системе являются необходимыми элементами управления газом. [77]
Самый фундаментальный аспект управления газом — иметь реалистичное представление об ожидаемой выносливости имеющегося в настоящее время газа и о том, как на него повлияет нагрузка в предсказуемых обстоятельствах. [9] Периодические проверки остаточного давления газа — это обычный метод мониторинга, для которого обычным оборудованием является манометр баллона, прикрепленный к первой ступени регулятора. Когда пользователь, вероятно, будет загружен работой до такой степени, что отсутствие проверки давления газа вполне вероятно, разумно использовать сигнализацию низкого уровня газа, ручное переключение резерва или и то, и другое. Все три из них можно найти в промышленных дыхательных аппаратах, используемых для спасения и пожаротушения. Для подводного плавания манометры являются стандартными, с альтернативной системой подачи газа, выбранной из контекстно приемлемого варианта аварийного набора для подводного плавания, газа, подаваемого напарником-дайвером, или аварийного подъема на поверхность. Выбор зависит от оценки риска и в некоторых случаях стандартных рабочих процедур или кодекса практики. Резервные клапаны также иногда все еще используются в условиях плохой видимости. Система напарников и аварийные подъемы часто используются любителями-дайверами в мелководье без запланированных обязательств по декомпрессии. Профессиональные дайверы могут быть обязаны нести независимый аварийный комплект , [69] а технические дайверы могут иметь несколько планов действий в чрезвычайных ситуациях, которые могут возникнуть и поставить под угрозу их запас дыхательного газа. [77]
При наличии более чем одной дыхательной газовой смеси необходимо свести к минимуму риск выбора газа, неподходящего для текущей ситуации. [77]
В медицинском оборудовании пользовательский интерфейс системы управления и мониторинга может влиять на вероятность ошибки оператора. [78]
Выносливость ребризера или системы жизнеобеспечения, обеспечивающей подачу газа в дыхательный аппарат, также зависит от его способности удалять углекислый газ из выдыхаемого газа. Это известно как выносливость скруббера .
{{cite report}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )