低气压环境穿戴式增压呼吸系统的制作方法

1.本发明涉及一种低气压环境穿戴式增压呼吸系统。


背景技术：

2.我国西藏自治区位于青藏高原西南部，平均海拔在4000米以上，素有“世界屋脊”之称，面积122.84万平方公里，约占全国总面积的1/8。西藏物产丰富，已发现101种矿产资源，优势矿种有铜、铬、硼、锂、铅、锌、金、锑、铁，以及地热、矿泉水等，矿产资源储量居全国前5位的有铬、工艺水晶、刚玉、高温地热、铜、高岭土、菱镁矿、硼、自然硫、云母、砷、矿泉水等12种。石油资源目前也有很好的找矿远景。西藏还有大量的高原林业、草原、畜牧业和动物资源。但受限于高海拔，西藏人口只有365.6万人(2020年)。
3.随着海拔增加，气压也不断降低，海拔与气压之间的对应关系如表1所示。
4.海拔(米)气压(绝压)(pa)-500107478010132550095457100089948150084548200079485250074671300070957350065751400061625450057713500054004600093700041043
5.人体生理结构决定了在自然状态下对海拔高度变化的适应能力，一般定义1500～3500米为高海拔，在这个海拔范围大多数人有足够的时间都可以适应，特别是2400米以下；3500米～5500米以上为极高海拔，在这个高度上，人体机能严重下降，个体的差异决定能否适应；5500米以上高度对肌体和核心器官损伤很大，有些损伤是不可逆的，因此自然条件下无人在5500米以上高度上长期居住。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够方便穿戴，通过增压呼吸的原理，协同穿戴式增压约束服的作用，无需制氧、储氧、供氧设备，就可以实现在正常生活场景情况下达到低海拔地区同样的呼吸效果的低气压环境穿戴式增压呼吸系统。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：低气压环境穿戴式增压呼吸系统，其特征在于，包括穿戴式增压约束服、增压呼吸面罩、进气增压罐、稳定压力罐、环境压力传感器，以及控制模块，穿戴式增压约束服的躯干以及四肢部分均设有用于装入体表增压囊的口袋，多个体表增压囊之间采用导管连接，体表增压囊内设有增压囊压力传感器；体表增压囊与体表增压泵连接，利用体表增压泵为体表增压囊进行增压，体表增压囊与体表增压泵之间设有截止阀；
8.所述增压呼吸面罩分别与排气增压泵和稳定压力罐相连，排气增压泵与进气增压罐连接，进气增压罐连接稳定压力罐；进气增压罐内设有增压活塞，进气增压罐顶部设有进气截止阀、底部设有排气阀，进气增压罐压力传感器；
9.增压呼吸面罩与排气增压泵之间设有呼气阀，增压呼吸面罩与呼气阀之间设有呼气压力传感器；进气增压罐与稳定压力罐之间设有单向联通阀，单向联通阀只能实现从进气增压罐向稳定压力罐方向的单向联通；增压呼吸面罩与稳定压力罐之间设有呼吸节流减压阀，增压呼吸面罩与呼吸节流减压阀之间设有吸气压力传感器，呼吸节流减压阀与稳定压力罐之间设有稳定压力罐压力传感器；
10.控制模块包括电源管理单元、电池模块、中央处理器和驱动单元，电源管理单元分别与电池模块和中央处理器相连，电池模块用于为低气压环境穿戴式增压呼吸系统内其余模块供电，中央处理器分别与驱动单元、各个传感器、排气增压泵、体表增压泵、增压活塞和各个阀门相连，驱动单元与增压活塞连接。
11.当吸气时，呼气阀关闭，呼吸节流减压阀开启，通过吸气压力传感器探测到的压力变化调节流量，稳定压力罐起到稳定吸气压力作用；进气增压在进气增压罐内完成，并通过增压活塞对进气进行压缩；压缩时，进气截止阀关闭，单向联通阀只能实现从进气增压罐向稳定压力罐方向的单向联通，当进气增压罐压力大于稳定压力罐的压力时，单向联通阀联通，实现进气增压罐向稳定压力罐方向供气；增压活塞由驱动装置驱动；进气增压罐进气采用自然吸气或风机鼓风进气的方式；
12.在排放呼出的废气时，呼吸节流减压阀关闭，呼气阀开启，排出的废气先排入进气增压罐活塞的一侧，与增压活塞的增压运动一起完成对吸入新鲜空气的增压，当排气膨胀做功后压力降低，增压活塞在活塞吸气时将废气推入大气中。
13.本发明的有益效果是：穿戴式增压呼吸系统是根据人体身体结构特点设计的，能够方便穿戴，通过增压呼吸的原理，协同穿戴式增压约束服的作用，对健康人来说，无需制氧、储氧、供氧设备，就可以实现在正常生活场景情况下达到低海拔地区同样的呼吸效果，从而极大地提高人在高原地区长期生活的健康问题。
附图说明
14.图1为本发明的低气压环境穿戴式增压呼吸系统外观图；
15.图2为本发明的穿戴式增压呼吸系统的结构示意图；
16.图3为含氧量与气压关系曲线图；
17.图4为人体呼吸原理示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
19.本发明的低气压环境穿戴式增压呼吸系统外观如图1所示，整体为连体服的设计，颈部至腹部、后腰部、背部、裤腿部、袖口均设有闭口拉链，后腰处设有松紧调节带，方便坐与蹲。
20.如图2所示，本发明的低气压环境穿戴式增压呼吸系统，包括穿戴式增压约束服21、增压呼吸面罩3、进气增压罐11、稳定压力罐7、环境压力传感器20，以及控制模块，穿戴式增压约束服21的躯干以及四肢部分均设有用于装入体表增压囊22的口袋，多个体表增压囊22之间采用导管连接，体表增压囊22内设有增压囊压力传感器23；体表增压囊22与体表增压泵25连接，利用体表增压泵25为体表增压囊22进行增压，体表增压囊22与体表增压泵25之间设有截止阀24；
21.所述增压呼吸面罩3分别与排气增压泵15和稳定压力罐7相连，排气增压泵15与进气增压罐11连接，进气增压罐11连接稳定压力罐7；进气增压罐11内设有增压活塞10，进气增压罐11顶部设有进气截止阀14、底部设有排气阀9，进气增压罐压力传感器12；
22.增压呼吸面罩3与排气增压泵15之间设有呼气阀12，增压呼吸面罩3与呼气阀12之间设有呼气压力传感器2；进气增压罐11与稳定压力罐7之间设有单向联通阀8，单向联通阀8只能实现从进气增压罐11向稳定压力罐7方向的单向联通；增压呼吸面罩3与稳定压力罐7之间设有呼吸节流减压阀5，增压呼吸面罩3与呼吸节流减压阀5之间设有吸气压力传感器4，呼吸节流减压阀5与稳定压力罐7之间设有稳定压力罐压力传感器6；
23.控制模块包括电源管理单元16、电池模块17、中央处理器18和驱动单元19，电源管理单元16分别与电池模块17和中央处理器18相连，电池模块17用于为低气压环境穿戴式增压呼吸系统内其余模块供电，中央处理器分别与驱动单元19、各个传感器、排气增压泵15、体表增压泵25、增压活塞10和各个阀门相连，驱动单元19与增压活塞10连接。
24.当吸气时，呼气阀12关闭，呼吸节流减压阀5开启，通过吸气压力传感器4探测到的压力变化调节流量，稳定压力罐7起到稳定吸气压力作用；进气增压在进气增压罐11内完成，并通过增压活塞10对进气进行压缩(因为呼吸出口管路有损失，通过增压活塞可以调节呼吸气压；同时由于呼吸系统是增压了的，呼气压力比环境压力高，可以通过增压活塞10回收一部分压力，减小增压的压差)；压缩时，进气截止阀14关闭，单向联通阀8只能实现从进气增压罐向稳定压力罐方向的单向联通，当进气增压罐11压力大于稳定压力罐7的压力时，单向联通阀8联通，实现进气增压罐向稳定压力罐方向供气；增压活塞10由驱动装置驱动；进气增压罐11进气采用自然吸气或风机鼓风进气的方式；
25.在排放呼出的废气时，呼吸节流减压阀5关闭，呼气阀12开启，排出的废气先排入进气增压罐11活塞的一侧，与增压活塞10的增压运动一起完成对吸入新鲜空气的增压，当排气膨胀做功后压力降低，增压活塞10在活塞吸气时将废气推入大气中。
26.低海拔地区和高海拔地区的氧气体积浓度差别不大，单位体积的质量差别大，如图3所示。人体机能需要在同样的肺活量情况下，呼吸足够质量的氧气维持血氧浓度，才能保证生理机能的正常运转。通过增压就能提高单位体积内的氧气质量浓度，其换算关系符合热力学实际气体膨胀方程。
27.根据表1的海拔气压表，如果一个人处于4500m海拔高度，此地标准气压57.7kpa，
而海拔500m高度标准气压95.5kpa，那么需增压37.8kpa，增压后空气中氧质量密度就与海拔500m高度基本相同。
28.但是，由于人体生理结构限制，肺部以及腹部可比为一个囊结构，如图4所示。当呼吸气体增压，而体外环境压力不增，那么由于压力不平衡，那么肺部会不正常的受内压扩张，会导致人体损伤。另一方面，人体体液，尤其血管液与环境压力产生较大差压时，低气压导致血管扩张，由于心脏泵出的血液体积流量基本稳定，血管扩张意味着血管流通截面积增加，血流流速减慢，导致健康问题。当从高原返回时，又由于外部气压升高，血管受压收缩，流通截面积减小，而心脏泵出的流量依然相对恒定，结果导致血管流动阻力增加，血液升高，还是导致健康问题。
29.从以上原理出发，本发明通过设计穿戴式增压约束服，通过外部物理增压束缚肺部以及腹部，还有血管集中的大腿、小腿，必要时还可增加大臂部位，分别解决肺部呼吸的气压平衡以及主血管内外环境压力平衡问题。实践表明，身体手脚肢端等局部长期暴露在50kpa～60kpa压差环境下是可以接受的。这样就解决了增压呼吸和增压环境依赖的问题。简言之，就可以摆脱整体式增压仓，通过穿戴系统实现近乎增压仓的效果，基本不影响人员活动能力。
30.本发明的穿戴式增压约束服与增压呼吸面罩可以共用一套增压泵或者分别采用独立的增压泵。服装系统包括分区式增压约束服，在增压服设多个分区，每个分区位置根据人体工学设置，充压与否人体均能正常活动，装有增压囊，增压囊之间采用导管连接，从而可以实现最少从一个接口实现对所有增压囊的充压和泄压；增压囊既可以设为不可拆洗的也可以设为可以拆洗的；
31.增压部位主要在人体表血管埋深较浅、有比较丰富的大血管部位，还有人体胸、腹部呼吸器官所在，且缺骨骼围护的软弱正面部位；增压约束服可以采用拉线、拉链方式实现收紧，满足不同体型人穿戴的需要；
32.增压服增压功能启动后，采用机械动力增压，增压动力系统视用途不同采用了叶轮、活塞增压结构；增压压力是可以按绝对压力或者相对环境压力增压值进行设置，不同工作模式可以进行切换；增压服的增压值与增压呼吸系统压力值一般设为相同，自适应。考虑到机械增压耗能较大，呼吸出的废气直接排放到低气压环境也造成了差压能量的浪费，因此采用了活塞式的增压器，利用呼吸排的废气作为被压，以回收部分能量，从而实现节能。
33.增压呼吸面罩的防护范围最少包括口、鼻，扩大范围包括耳、眼，呼吸系统设计为正压排气，负压吸气，实现口鼻自由呼吸；
34.所有驱动及控制系统集成为一个模块，一般考虑放置于背囊内，且背囊内设有气垫，提高背负的舒适性。电源采用充电电池，满足快速更换要求，电池更换时，系统不失压，保留外接电源插口，满足一些作业场景需要；系统设置蓝牙无线遥控，可以通过在多种穿戴电子设备对系统进行控制。
35.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。