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CN106714936A - 用于向对象提供补氧的设备 - Google Patents

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CN106714936A
CN106714936A CN201580050207.2A CN201580050207A CN106714936A CN 106714936 A CN106714936 A CN 106714936A CN 201580050207 A CN201580050207 A CN 201580050207A CN 106714936 A CN106714936 A CN 106714936A
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CN
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gas
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oxygen
air
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CN201580050207.2A
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T·J·温克
R·希尔比希
A·G·R·克贝尔
D·马修
E·范吕滕
J·P·凯利
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Koninklijke Philips NV
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

根据一个方面，提供了一种用于向对象(8)提供补氧的设备(4)，所述设备(4)包括对象接口(10)和容器(12)，其中，所述对象(8)能够通过所述对象接口吸气，所述容器具有第一出口(18)、第一入口(24)、材料(15)，以及鼓风机(14)，其中，所述第一出口连接到所述对象接口(10)以允许存储于所述容器(12)中的具有提高的氧气水平的气体被所述对象(8)吸入，所述材料(15)用于从经过所述容器(12)的空气移除特定气体以增加经过所述容器(12)的所述空气的氧气含量，所述鼓风机(14)连接到所述容器(12)的所述第一入口(24)，并被配置为当所述对象(8)使用所述设备(4)时将空气供应到所述容器(12)中。

Description

用于向对象提供补氧的设备
技术领域
本发明涉及用于向对象提供补氧的设备。
背景技术
补氧是在具有慢性阻塞性肺病(COPD)、发生慢性支气管炎或肺气肿(这是长期吸烟的常见影响)的对象中常用的疗法。具有COPD的对象可能要求额外的氧气以在其状况临时恶化期间或在整个白天和黑夜期间进行呼吸。这表明在对象中具有等于或小于55mmHg的氧分压(PaO2)，或者等于或小于88％的动脉血氧饱和度水平(SaO2)。
能够取决于情况、流量要求和患者偏好来通过多个设备递送氧气。电动氧气浓缩器最常用于家庭氧疗和便携式氧，其优点是进行持续的供给而无需额外递送笨重的气瓶。氧气浓缩器操作为连续生成富氧空气并向对象供应富氧空气(具有高于大气的氧浓度(例如，21％)的空气)。
在这些设备中，鼻套管通常用作对象接口。鼻套管包括轻重量的管，其一端分裂成两个叉齿，所述两个叉齿被放置在鼻孔中并从其流出氧气。另一端被连接到氧气供应物，例如，便携式氧气浓缩器(POC)。
氧疗法的已知方案在US 2008/0053310中公开。所述文档公开了提供一种便携式氧气浓缩器，其包括：多个筛床，其用于从空气吸收氮气，所述筛床包括空气入口/出口端以及氧气入口/出口端；至少一个储存库，其与所述筛床的所述氧气入口/出口相连通，以用于存储从所述筛床的所述氧气入口/出口端离开的氧气；压缩机，其用于将处于一个或多个期望压力的空气递送到所述筛床的所述空气入口/出口端，所述压缩机包括电动机，所述电动机被耦合到定义中心轴的曲轴，所述压缩机包括围绕所述中心轴间隔开的三个头以及在各个头与所述曲轴之间延伸的杆。
用于在COPD中的氧疗法的当前方案远非理想。氧气递送设备是笨重的，甚至便携式氧气浓缩器在重量上确实也不轻(通常重4-10lbs/1.8-4.5kg)。此外，鼻套管也不是其用户想要的，这是因为它不是分离的、在使用上不舒适、并且最重要的是其能够加强被认为是重病人的烙印。
上述缺点对于在24小时的基础上需要补氧的对象而言是难以克服的。他们完全依赖于氧气，在白天也是如此，并因此被强迫使用当前可用的仪器。具有较不严重或更温和的COPD或其它呼吸疾病的对象可以或能够以不同方式使用补氧，即，非持续地但是更间歇地或基于需求来使用补氧。这些对象能够在特定活动和/或身体锻炼之前、期间和/或之后补充其氧气。之后，他们例如能够从事其社交接触，而无需使用仪器(包括无需佩戴鼻套管)以及随其(鼻套管)带来的烙印。然而，这些对象还必须使用现有的设备，以便提供该补氧并提升其血氧水平。这些现有的设备虽然被设计为便携式的，但是没有被设计为考虑到这种类型的使用，因此需要提供一种比现有设备轻得多且便携的提供补氧的设备，并且所述设备能够在较短时间量程上提供补氧。
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于向对象提供补氧的设备，所述设备包括对象接口、容器，以及第一阀门，其中，所述对象能够通过所述对象接口吸气，所述容器具有第一出口、第一入口、材料，以及鼓风机，其中，所述第一出口连接到所述对象接口以允许存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的气体被所述对象吸入，所述材料用于从经过所述容器的空气移除特定气体以增加经过所述容器的所述空气的氧气含量，所述鼓风机连接到所述容器的所述第一入口，并被配置为当所述对象使用所述设备时将空气供应到所述容器中，所述第一阀门被定位在所述容器与所述对象接口之间，以用于使得补氧的流能够到所述对象。
在一些实施例中，所述容器被配置为被配置为以高于大气压的压力存储具有提高的氧气水平的气体。
在一些实施例中，所述鼓风机被配置为被启用以在存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力处于或接近大气压时将空气供应到所述容器中。
在一些实施例中，所述鼓风机被配置为当满足以下条件中的任一个时被停用：(i)当所述材料对所述特定气体饱和时；(ii)在所述对象的第一次吸气之后的预定时间之后；(iii)在从所述设备的上次再充起所述对象已经使用所述设备达预定时间之后；(iv)在所述对象吸气预定次数之后；(v)当被供应到所述对象的气体的温度升高时；或者(vi)当被供应到所述对象的气体的氧气含量低于阈值时。
在一些实施例中，所述第一入口和所述第一出口相对于彼此进行布置，使得由所述鼓风机通过所述第一入口吹入到所述容器中的空气将存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的气体通过所述第一出口而推出。
在一些实施例中，所述设备还包括递送阀，所述递送阀被定位在所述对象接口与所述第一出口之间，所述递送阀被配置为当所述对象吸气时将具有提高的氧气水平的气体从所述容器释放到所述对象。
在一些实施例中，所述设备还包括止回阀，所述止回阀被定位在所述鼓风机与所述第一入口之间，所述止回阀被配置为在存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力高于大气压时关闭，以便防止在所述鼓风机被停用时所述容器中的气体流动通过所述鼓风机，并且所述止回阀被配置为在存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力处于或低于大气压时打开，以便允许通过所述鼓风机将空气供应到所述容器中。
在一些实施例中，所述设备还包括：第二入口，其被配置为在再充过程期间接收具有提高的氧气水平的气体；以及第二出口，其被配置为在所述再充过程期间排出废气。
在一些实施例中，所述设备还包括：加载阀，其连接到所述第二入口，所述加载阀被配置为在再充过程开始时打开以允许具有提高的氧气水平的气体被供应到所述容器中，以便净化所述特定气体的所述材料；以及排气阀，其连接到所述第二出口，所述排气阀被配置为在所述再充过程开始时打开，以允许废气离开所述容器。
在一些实施例中，所述排气阀被配置为在所述再充过程期间关闭，同时通过所述加载阀和所述第二入口将具有提高的氧气水平的气体供应到所述容器中，以便在所述容器中存储具有提高的氧气水平的气体。
在一些实施例中，所述设备还包括：用于在所述对象通过所述对象接口呼气时向所述对象供应正压空气的器件。
在一些实施例中，所述设备还包括控制单元，所述控制单元被配置为控制所述设备的操作。
在一些实施例中，所述特定气体是氮气。在一些实施例中，所述材料是用于吸收所述特定气体的吸收材料。在一些实施例中，所述吸收材料是沸石。在其它实施例中，所述材料是用于吸收所述特定气体的吸收材料。
根据第二方面，提供了一种补氧系统，所述补氧系统包括：如上所述的设备；以及具有提高的氧气水平的气体的源，所述气体的源能够选择性地耦合到所述设备，以便利用具有提高的氧气水平的气体对所述设备进行再充并净化所述特定气体的所述材料。
在一些实施例中，具有提高的氧气水平的所述气体的源是氧气浓缩器。
在一些实施例中，具有提高的氧气水平的所述气体的源是用于所述设备的基底单元的部分。
根据第三方面，提供了一种向对象提供补氧的方法，所述方法包括：提供一种设备，所述设备包括对象接口、容器，以及阀门，其中，所述对象能够通过所述对象接口吸气，所述容器具有第一出口、第一入口、材料，以及鼓风机，其中，所述第一出口连接到所述对象接口以允许存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的气体被所述对象吸入，所述材料用于从经过所述容器的空气移除特定气体以增加经过所述容器的所述空气的氧气含量，所述鼓风机连接到所述容器的所述第一入口，并被配置为将空气供应到所述容器中，所述阀门用于控制供应的空气的流动，所述阀门被定位在所述鼓风机与所述第一入口之间；通过所述第一出口和所述对象接口将具有提高的氧气水平的气体分配给所述对象；并且在所述对象使用所述设备期间，启用所述鼓风机以将空气供应到所述容器中。
在一些实施例中，在分配的所述步骤之前，所述容器以高于大气压的压力存储具有提高的氧气水平的气体，并且当存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力处于或接近大气压时执行启用所述鼓风机的所述步骤。
在一些实施例中，所述方法还包括停用所述鼓风机的步骤。
在一些实施例中，当满足以下条件中的任一个时执行停用所述鼓风机的所述步骤：(i)当所述材料对所述特定气体饱和时；(ii)在所述对象的第一次吸气之后的预定时间之后；(iii)在从所述设备的上次再充起所述对象已经使用所述设备达预定时间之后；(iv)在所述对象吸气预定次数之后；(v)当被供应到所述对象的所述气体的温度升高时；或者(vi)当供应到所述对象的所述气体的氧气含量低于阈值时。
在一些实施例中，执行启用所述鼓风机的所述步骤，以便将存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的气体通过所述第一出口而推出到所述对象接口。
在一些实施例中，分配的所述步骤包括：当所述对象吸气时，将具有提高的氧气水平的气体从容器分配给所述对象。
在一些实施例中，所述方法还包括利用具有提高的氧气水平的气体对所述设备进行再充的步骤。
在一些实施例中，对所述设备进行再充的所述步骤包括：将所述容器的所述第二入口连接到具有提高的氧气水平的气体的源；从所述源通过所述容器供应具有提高的氧气水平的气体，以净化所述特定气体的所述材料；并且允许经净化的特定气体通过所述容器的出口离开所述容器。
在一些实施例中，对所述设备进行再充的所述步骤还包括：在所述特定气体的所述材料已经被净化时，防止气体离开所述容器，使得来自所述源的具有提高的氧气水平的气体被存储于所述容器中。
在一些实施例中，对所述设备进行再充的所述步骤还包括：继续供应具有提高的氧气水平的气体到所述容器中，直到存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的所述气体处于要求的压力。
在一些实施例中，所述特定气体是氮气。在一些实施例中，所述材料是用于吸收所述特定气体的吸收材料。在一些实施例中，所述吸收材料是沸石。在其它实施例中，所述材料是用于吸收所述特定气体的吸收材料。
根据第四方面，提供了一种用于向对象提供补氧的设备，所述设备包括：对象接口，所述对象能够通过所述对象接口吸气；容器，其用于存储具有提高的氧气水平的气体，所述容器连接到所述对象接口以允许具有提高的氧气水平的存储气体被所述对象吸入；以及用于当所述对象通过所述对象接口呼气时向所述对象提供正压空气的器件。
也预期第四方面的各种实施例，其中根据第一方面的上述实施例中的任一个来配置所述设备。
附图说明
为了更好地理解本发明并且更加清晰地示出如何进行实践，现在将仅通过范例的方式来参考附图，在附图中：
图1示意性示出了示范性补氧系统；
图2是根据本发明的一方面的手持式设备的示意图；
图3示意性示出了当将氧气被分配给对象时图2的手持式设备；
图4是图示当将氧气被分配给对象时手持式设备中阀门的操作的图；
图5是图示操作手持式设备以将氧气分配给对象的方法的流程图；
图6图示了在手持式设备的操作期间的示范性氮气浓度分布图；
图7示意性示出了当设备被再充时图2的手持式设备；
图8是图示当设备被再充时在手持式设备中的阀门的操作的图；
图9是图示对手持式设备进行再充的方法的流程图；
图10图示了在手持式设备的再充期间的示范性氮气浓度分布图；并且
图11是根据本发明的一方面的手持式设备的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一方面的补氧系统的实施例。在该实施例中，系统2包括手持式设备4和用于手持式设备4的基底单元6。手持式设备4被配置为基于需求向用户或对象8递送补氧(否则在本文中被可互换地称作“具有提高的氧气水平的气体”(即，提高到高于空气中正常发现的水平)、“富氧空气”、“富氧气体”、“富含氧气的气体”或“富含包含氧气的气体”)。手持式设备4被设计为容易被对象8握持，并且能够通过手持式设备4保持和/或供应补氧到对象8的多次呼吸中。基底单元6被提供为当手持式设备4耦合到基底单元6时对手持式设备4的氧气水平进行再充或补充。基底单元6可以包括氧气浓缩器，例如，根据已知的变压吸收循环原理操作的氧气浓缩器，其供应具有提高的氧气水平(即，提高到高于在海平面空气的正常氧气含量的大约21％)的空气或气体到手持式设备4。备选地，基底单元6可以包含或以其他方式被耦合到液氧或具有提高的氧气水平的压缩空气或气体的源，所述源用于对手持式单元4进行再充或补充。基底单元6也可以被配置为对手持式单元4内部的电池进行再充。
在备选实施例中，系统2可以仅包括手持式设备4；不要求单独的基底单元以用于对手持式设备4的氧气水平进行再充或补充。在这些实施例中，手持式设备4可以通过替换在手持式设备4中的可移除的氧气容器或通过将手持式设备4连接到具有提高的氧气水平的氧气或气体供应物(例如，含有液氧的气缸或具有提高的氧气水平的压缩空气的源)而被补充氧气。
在所有上述实施例中，手持式设备4被提供具有对象接口10，对象8通过所述接口10吸气，以便接收来自手持式设备4的补氧。在一些实施例中，对象8也能够(或被要求)通过对象接口10呼气。
对象接口10优选是衔口，但是也能够使用与对象8的口部和/或鼻部无创接合的其它类型的接口。合适的接口包括但不限于：鼻套管、鼻罩、鼻口罩、全面罩和总面罩。
补氧系统2能够由具有慢性阻塞性肺病(COPD)或其它呼吸疾病的对象使用，在这些使用中，要求额外的氧气(例如，处于或高于20％-40％的水平)并且这有益于对象8。
图2是根据本发明的实施例的手持式设备4的示意图。优选地，手持式设备4足够小且重量轻，以使得其容易由对象8携带同时仍能向有用次数的呼吸提供补氧，并且手持式设备4的部件被相应设计和/或选择。
手持式设备4包括如上所述的对象接口10，壳体11，容器或箱体12(其在对象8通过对象接口10吸气时存储和生成要被分配给对象8的氧气)，鼓风机，气泵或风扇14(其被布置为将空气供应到容器12中)，以及控制单元16(其控制手持式设备4的操作，包括鼓风机14的操作)。
壳体11可以被定形、定轮廓和/或定纹理，以使得其能够被对象9容易地握持。
容器12包含材料15，所述材料15用于从存在于或经过容器12的空气或其它气体中移除一种或多种特定气体。材料15被提供为从容器12中的气体中移除一种或多种特定气体，以便将氧气的浓度增加到高于在正常空气中发现的水平(例如，在海平面处的21％左右)。在优选实施例中，材料15从容器12中的气体移除氮气。在优选实施例中，材料15是从存在于容器12中的空气或其它气体中吸收特定的一种或多种气体(例如，氮气)的吸收材料。在这些实施例中，吸收材料15优选是沸石，例如，掺杂锂的低硅沸石X(LiLSX)沸石。在备选实施例中，材料15能够是从存在于容器12中的空气或其它气体吸收特定的一种或多种气体(例如，氮气)的吸收材料。这样的吸收材料能够包括金属有机框架(MOF)。
尽管在后文中结合材料15是吸收材料解释了本发明，但是本领域技术人员将意识到，这些实施例仅是示范性的，并且所描述的本发明能够替代地由吸收材料来实施。
在示范性实施例中，容器12一般具有圆柱形形状，并且长度大约是0.11米且直径大约是0.04米。然而，将意识到，根据手持式设备4的期望尺寸和/或形状能够使用其它尺寸和/或形状的容器12。在该示范性实施例中，容器12包含大约0.094kg的LiLSX颗粒(例如，0.00055米直径的颗粒)，但是将意识到，能够使用其它量的沸石、其它沸石和/或其它吸收材料15。
鼓风机、气泵或风扇14是适合用于将空气供应到容器12中并稍微提高容器12中的空气压力(超压)的任何类型的设备。术语“鼓风机”、“气泵”和“风扇”在本文中可以互换使用，并且提及一个就包括其他，反之亦然，除非另有明确表述。优选地，鼓风机14能够在例如0.01-0.15bar(大致100-1500mmH2O)的区域中提供小的超压。优选地，在操作中鼓风机14的最大气流速率在0.3至1升/分钟之间。在一些实施例中，鼓风机、气泵或风扇足以在容器12中提供高达10％或高达20％的量级的压力增加(分别高达1136mmH2O或高达2066mmH2O的空气压力升高)，但是也预期提供较高压力升高的鼓风机、气泵或风扇14。因此，将意识到，鼓风机14优选是小的、低功率的部件，所述部件适合用于在手持式设备4中使用。也将意识到，鼓风机14比在根据变压吸收循环操作的氧气浓缩器中通常发现的空气压缩机小得多且较不有力。
控制单元16能够包括一个或多个处理器、处理单元、处理模块和/或其它电子电路，所述其它电子电路被配置为或被编程为控制手持式设备4的操作，如下文更详细描述的。
容器12的第一出口18经由第一阀门20(在本文中也被称作递送阀门)被连接到对象接口10和第一导管22。当对象8吸气时，第一阀门20用于将具有提高的氧气水平的气体从容器12释放到第一导管22中并释放到对象接口10。在一些实施例中，通过控制单元16控制第一阀门20的打开和关闭。在一些实施例中，分别响应于检测到对象8正在吸气或呼气，控制单元16控制第一阀门20的打开和关闭。在其它实施例中，分别直接响应于对象8正在通过对象接口10进行吸气和呼气而打开和关闭第一阀门20(例如，第一阀门20能够被配置为使得当患者吸气时在第一导管22中压力的减少足以打开第一阀门20，并且当患者呼气时在第一导管22中的压力的增加足以关闭第一阀门20，或者第一阀门20被加载为使得在患者停止吸气时自动关闭)。在一些实施例中，第一阀门20是脉冲剂量阀门，所述脉冲剂量阀门在阀门20每次被打开时只允许预设体积的气体通过(即，来自容器12)。第一阀门20被配置为在每次操作期间分配的预设体积的气体能够取决于对象8的需要。典型的体积在15ml至100ml的范围中，并且在该情况下，正常潮式呼吸体积在400ml至500ml的量级，对象接口10和/或第一导管22能够促进混合通过第一阀门20分配的富氧气体与从大气抽吸的空气，以满足所要求的潮式体积。本领域技术人员已知脉冲剂量阀门20的结构和操作，因此在本文中不再提供进一步的细节。
鼓风机14经由第二阀门26和第二导管28连接到容器12的第一入口24。鼓风机14还具有空气入口30，鼓风机14通过所述空气入口30能够将空气抽吸到设备4中。第二阀门在本文中也被称作止回阀。第二阀门26被提供为防止气体流出容器12并通过鼓风机14(尤其是当鼓风机14未被激活时)。优选地，第二阀门26是止回阀，否则已知为单向阀或止逆阀。第二阀门26优选响应于在容器12与环境之间的相对压力而操作，即，当容器12中的气体压力高于设备4外部的空气压力时关闭阀门26，并且当外部压力(其能够包括由鼓风机14的操作引起的小的超压)超过容器12中的气体压力时打开阀门26。尽管根据相对压力操作的止回阀26是阀门26的优选形式，但是将意识到，能够使用其它类型的阀门，并且还将意识到，能够由控制单元16控制第二阀门26的打开和关闭(在该情况下，控制单元16监测容器12内部的压力以确定何时打开和关闭第二阀门26)。
第一入口24和第一出口18被布置在容器12上，以便使得空气被鼓风机14吹进容器12，从而排出存储于容器12中的气体。在一些实施例中，第一入口24在容器12的一侧上，这不同于容器12具有第一出口18的一侧。在优选实施例中，第一入口24和第一出口18在容器12的相对侧上。
为了使得容器12能够在容器12中的富氧空气已经耗尽或分配完(例如，当吸收材料15对吸收的气体饱和时)之后被再充或补充，容器12被提供具有用于接收“净化”气体的第二入口31以及用于排出废气(即，吸收材料15所吸收的气体)的第二出口32。第二入口31和第二出口32被布置在容器12上，使得通过第二入口31进入到容器12的富氧空气排出在吸收材料15中吸收的气体。在一些实施例中，第二入口31在容器12的一侧上，这一侧不同于容器12的具有第二出口32的一侧。在优选实施例中，第二入口31和第二出口32在容器12的相对侧上(但是不是必须在分别与图2所示的第一出口18和第一入口24相同的侧上)。
第二入口31经由第三阀门36连接到第三导管34，所述第三阀门36通向在手持式设备4的外部的供应端口38。第三阀门36在本文中也被称作加载阀。供应端口38被配置为允许氧气、富氧空气或其它净化气体的源耦合到手持式设备4，并因此在加载阀36打开时被供应到容器12。在手持式设备能够与基底单元6对接以用于再充的实施例中，供应端口38将被配置为连接到基底单元6上的对应端口或出口以接收氧气、富氧空气或其它净化气体。第三阀门36的操作优选被控制单元16控制。
第二出口32经由第四阀门42连接到第四导管40，所述第四阀门42通向在手持式设备4的外部的排气端口44。第四阀门42在本文中也被称作排气阀。排气阀42打开以允许废气(例如，在手持式设备4的先前操作期间由吸收材料15吸收的气体)流出设备4并进入到大气中。第四阀门42的操作优选被控制单元16控制。
除非在本文中另有提供，否则第一阀门20、第二阀门26、第三阀门36和第四阀门42中的任一个能够包括下列类型的阀门中的任一种：旋塞阀、球阀、止回阀、蝶形阀、螺线管、压力开关和/或其它压力调节设备。
将意识到，图2只示出了手持式设备4中要求图示本发明的该实施例的部件，并且根据本发明的手持式设备4的实际实施方式可以包括示出的部件之外的其它部件。例如，手持式设备4可以包括用于对上述部件供电的电源和/或用于允许对象控制设备4的用户接口。电源可以包括例如一个或多个可替换或可再充电电池，其能够对手持式设备4供电达至少若干分钟。用户接口包括用于使得对象8能够从设备4接收信息和/或与设备4交互或控制设备4的部件，并且可以包括例如用于激活、停用和以其它方式控制设备4的操作的一个或多个按钮、开关或控件，用于向对象8提供视觉输出的一个或多个显示器、灯、指示物等和/或用于向对象8提供音响输出的一个或多个扬声器。
图3、图4和图5图示了根据本发明的一方面在将富氧空气递送到对象8时图2的手持式设备4的操作。图3示出了图2的手持式设备4，其中，示出了气体流动的方向；图4是图示阀门20、26、36和42的操作的图(但是将意识到，通过图的x轴示出的阀门的打开和关闭的特定定时仅是示范性的而非限制性的)；并且图5是图示操作手持式设备4的方法的流程图。
起初，当手持式设备4准备好使用时，在手持式设备4中的容器12被完全“充满”富氧空气(即，具有氧气含量大于21％的空气)到高于手持式设备周围空气压力的压力(即，高于大气压)。所有的阀门20、26、36和42被关闭并且鼓风机14被停用。
优选地，容器12充满有氧气含量为至少40％的气体；更优选地，容器12充满有氧气含量为至少60％的气体；甚至更优选地，容器12充满有氧气含量为至少80％的气体；甚至更优选地，容器12充满有氧气含量为至少90％的气体，例如92％。优选地，在容器12中气体的压力为至少1.2个大气压；更优选地，在容器12中气体的压力为至少1.5个大气压；甚至更优选地，在容器12中气体的压力为至少1.8个大气压。已经发现，在容器12中初始压力越大，手持式设备4的性能越好(例如，在要求补充或再充之前手持式设备4能够操作的时间长度的方面)，但是即使初始氧气浓度和/或初始压力在上述提供范围的较低端(或甚至低于上述提供范围)，根据本发明的手持式设备4的性能仍比包含具有等价氧气浓度和开始压力的气体的独立的氧气呼吸袋(即，不包括风扇或吸收材料的包含氧气的呼吸袋)显著更好。
当对象8要求补氧时，它们能够经由用户接口或在一些实施例中可以简单地通过对象接口10吸气而激活手持式设备4。激活手持式设备4(如在图4中的时间0秒所示)导致递送阀20打开，这允许富氧空气的流或脉冲从容器12通过第一导管22并进入到对象8(图5的步骤101)。将意识到，尽管图4示出了递送阀20在整个递送操作中打开(例如，从0秒到66秒)，但实际上，递送阀20的打开和关闭与对象在递送操作期间的呼吸一致。其它阀门26、36和42保持关闭。
当对象8从容器12接收富氧空气时，在容器12中的压力将下降。在针对容器12中的压力匹配大气压并且止回阀26打开的点准备时，控制单元16控制鼓风机14在递送阀20首次打开之后紧跟着开始操作(在该范例中，这能够是在前20秒内的任意时刻)。这对应于图5中的步骤103。在其中控制单元16监测容器12中的压力(和/或以其它方式控制止回阀26的操作)的其它实施例中，当监测的压力接近或处于大气压时控制单元16能够激活鼓风机14。
当容器12中的压力匹配大气压且止回阀26打开时，鼓风机14将推动(从手持式设备4的外部抽吸的)空气进入容器12并通过吸收材料15。吸收材料15从空气吸收特定的一种或多种气体(例如，氮气)，以便增加在供应到对象8的空气中氧气的浓度。鼓风机14的操作引起容器中小的超压(例如，大约0.01-0.15bar)，这增加空气经过容器12并进入对象8的速率，并还稍微增加了吸收材料15吸收特定的一种或多种气体的能力。鼓风机14的操作还用于将初始存储于容器12中的富氧空气推动到对象8的外部。
当对象8继续通过对象接口10吸入富氧空气并且通过鼓风机14将新鲜空气吹入到容器12中时，吸收材料15逐渐变成对其正在吸收的特定气体(例如，氮气)饱和。
图6图示了在手持式设备4的操作期间的示范性氮气浓度分布图，其是N2(氮气)摩尔分数yN2的轴向分布图yN2(z)。忽略Ar，能够说yO2(z)＝1-yN2(z)。LiLSX沸石的一个感兴趣属性在于当气体流动通过容器12时yN2的高值比yN2的低值移动地更快。图6示出了当新鲜空气被吹入到容器12中时形成多陡的“前沿”(被称作传质区(MTZ))。因此，容器12几乎满体积都能够填满空气，同时产品(输出到对象12的气体)的氧气纯度保持较高。最终，空气前沿到达容器12的产品侧(第一阀门20所在之处)，并且产品的氧气纯度突然下降(这被称作“N2突破到产品中”)。
当吸收材料15完全饱和时，输出到对象8的空气将具有与被鼓风机14吹入到容器12中的空气相同的氧气含量。在该阶段处，手持式设备4的容器12要求在其能够被再次使用之前进行再充，以向对象8提供补氧。控制单元16因此停用鼓风机14(步骤105)。此时，控制单元16还可以关闭或防止进一步打开递送阀20和/或关闭止回阀26(如果其被控制单元16控制的话)。在手持式设备4已经从上次对设备4进行完全再充起使用了特定时间量之后，或者从第一次吸气起过了特定时间量之后(其中将所述特定时间量大致设置为预计设备4能够提供补氧的时间量)，或者在对象8吸气了特定次数之后(其中所述特定次数为预计设备4能够提供补氧的吸气的总次数)，控制单元16能够停用鼓风机14并关闭或防止进一步打开递送阀20(并且任选地在止回阀26在控制单元16的控制之下时防止进一步打开止回阀26)。备选地，响应于检测到容器12的氧气含量或输出到对象8的气体的氧气含量低于或处于预定水平(例如，21％)，在该情况下能够提供适当的传感器来监测产品气体的氧气含量，控制单元16能够停用鼓风机14并关闭或防止进一步打开递送阀20(以及如上所述的止回阀26)。作为另一备选方案，响应于检测到流到对象8的气体流的温度升高，控制单元16能够停用鼓风机14并关闭或防止进一步打开递送阀20(以及如上所述的止回阀26)。温度升高将发生在吹入容器12中的空气“突破”到流到对象8的空气流时，并且该温度升高将发生在较短的时间段上，例如，0.1到1秒的量级。在本文中描述的示范性实施例中，温度升高是9K的量级。在该实施例中，温度传感器能够耦合到控制单元16，并被提供在第一出口18中或处或者在第一导管22中，以测量该温度变化。
图7、图8和图9图示了根据本发明的一方面当容器12被再充以使得富氧空气能够再次被递送到对象8时图2的手持式设备4的操作。图7示出了图2的手持式设备4，其中，示出了气体流动的方向；图8是图示阀门20、26、36和42的操作的图(但是将意识到，通过图的x轴示出的阀门的打开和关闭的特定定时仅是示范性的而非限制性的)；并且图9是图示操作手持式设备4的方法的流程图。
当手持式设备4要求再充时，手持式设备4中的容器12将包含具有大约21％的氧气含量的空气(即，与在手持式设备4周围的空气相同)，并且吸收材料15将对吸收的空气(例如，氮气)饱和。根据本发明的该方面的再充过程净化从吸收材料15和容器12吸收的气体。优选地，再充过程还将容器12填充有富氧气体到优选高于大气压的压力。所述过程开始于所有阀门20、26、36和42被关闭并且鼓风机14被停用。
在再充过程能够开始之前，手持式设备4连接到氧气或富氧空气的源，例如，液氧或压缩气体或具有提高的氧气水平的空气、或者根据已知的变压吸收循环原理操作且供应具有提高的氧气水平(即，提高到高于在海平面处空气的正常氧气含量的大约21％)的空气的氧气浓缩器。这在图9中如步骤121所示。氧气或富氧气体的源能够经由基底单元6来提供给手持式设备4或者被直接提供给手持式设备4。优选地，富氧气体具有至少40％的氧气含量；更优选地，具有至少60％的氧气含量；甚至更优选地，具有至少80％的氧气含量；以及甚至更优选地，具有至少90％的氧气含量，例如92％。
在再充过程期间，递送阀20和止回阀26保持关闭。在该过程的开始时由控制单元16(或者任选地由基底单元6中的控制单元)打开加载阀36和排气阀42(步骤123)，以使得富氧气体流入到容器12中并将气体排出以通过排气阀42流出容器12并进入大气。
通过容器的富氧气体的流净化吸收材料15，引起吸收材料15排出吸收的气体(例如，氮气)。然后通过排气阀42将该气体推送到容器12外部。图10图示了在手持式设备4的再充期间的示范性氮气浓度分布图，其基于对设备4的模拟。图10图示了高的yN2的值比低的yN2的值移动地更快。因此，高的N2浓度值将在该过程中非常早地离开容器12，但是低的N2浓度值需要更多的时间(和氧气净化气体体积)来离开容器12。这意味着不可能从吸收材料15净化出“所有”氮气。实际的“净化时间”设置是在要求达到容器的存储容量的时间与要求的氧气净化体积之间的折中方案。
富氧气体的流继续，而不管在容器12中要被吸收的气体的浓度。这与氧气浓缩器形成对比，在氧气浓缩器中当要被吸收的气体的浓度低于阈值量(例如，低于78％)时停止净化，这是因为不浪费氧气是非常重要的，并且因此确保有效的氧气浓缩操作。因此，在氧气浓缩器中，净化持续时间是有限的(通常小于20秒)，以确保该有效的操作(尽管该“有效的”操作意味着吸收材料未完全净化氮气)。相比之下，在根据本发明的手持式设备4中，执行净化以便使得容器12中的吸收材料15尽可能干净，并且浪费在净化或再充阶段中提供的一些氧气并不重要(即，没有存储在容器12中)。在上述示范性实施例中，净化步骤能够持续大约100秒。
在吸收材料15被弄干净时，排气阀42关闭(如在图8中以及图9的步骤125所示)，并且富氧气体的流继续进入到容器12中，以便将容器12加压到所要求的初始压力(例如，在一些实施例中是1.8个大气压)。
在达到要求的初始压力时，加载阀36关闭并且再充过程完成(步骤127)。设备4现在准备好由对象8使用。
这里针对上述示范性实施例提供了根据本发明的手持式设备4的性能的图示，其中，容器12一般具有圆柱形形状，长度为大约0.11米、直径为大约0.04米并且包含大约0.094kg的LiLSX颗粒。在容器12充满有富有92％氧气并且压力为1.8个大气压的空气的情况下，手持式设备4能够为富氧空气的21个脉冲递送对象8的46ml的脉量，这意味着手持式设备4能够在要求再充之前被连续使用大约65秒。作为对比，手持式设备4使得容器充有相同的氧气浓度和压力，但是不包括吸收材料15或鼓风机14，这将仅提供两个46ml脉冲的富氧空气，并且允许设备在要求再充之前仅连续使用大约6秒。
因此，使用具有吸收材料15和风扇14的容器12在使用期间将额外的空气吹过容器12提供了与氧气的标准容器或氧气呼吸袋相比尤其强的性能。该性能部分是由包含于从风扇14流动的空气中的氧气在对象8吸气时几乎完全被添加到输出到对象8的92％(或其它浓度)的氧气流而引起的，并且还是由吸收材料15(例如，沸石筛床)由于在氧气净化/再充过程期间解吸特定气体(例如，氮气)而被冷却大约13开尔文(在上述范例中)而引起的。该冷却将吸收材料吸收特定气体的能力增加了大约20％。
在以下的四个场景中，考虑了上述示范性容器12和初始氧含量和压力。第一场景对应于不具有吸收材料15或风扇14的容器12，第二场景对应于具有风扇14但是不具有吸收材料的容器12，第三场景对应于具有吸收材料15但是不具有风扇14的容器，并且第四场景对应于如图2所示的具有吸收材料15和风扇14的容器12。在第一场景中，当容器12从1.8个大气压降压到1个大气压时，从容器12输出101ml氧气。在第二场景中，在理想情况下，在降压到1大气压之后在容器12中剩余的氧气(大约为126ml)被由风扇14吹到容器12中的空气驱逐，这给出227ml的总输出。在第三场景中，在容器12内部永不存在任何空气，只有92％纯度且处于不同压力的氧气，这意味着吸收材料15(沸石)的温度几乎不改变(仅改变大约2.4K)。存在吸收材料15将容器12的氧气容量增加了大约2.85倍，这意味着箱体中的1.8个大气压的氧气的量是647ml(加上196ml的氮气)。这导致在降压到1个大气压时在容器12中剩余374ml的氧气和185ml的氮气。因此，递送273ml的氧气。在第四场景中，“空的”状态是填充空气的容器处于1个大气压(其是78ml的氧气加上1.79L的氮气)。利用在1个大气压下每分钟1标准升(slpm)的氧气净化容器12达99秒，并且在21秒内加压到1.8个大气压，这给出743ml的氧气加上550ml的氮气的总气体量(这比在第三场景中因为在利用氧气进行净化期间吸收氮气而引起的吸收材料15温度降低13K而引起的还高)。现在总氧气输出非常高，这是因为在操作期间吹入到容器12中的1.64L的空气也包含344ml的氧气，并且这些氧气中只有一小部分剩余在容器中(大约78ml)。因此，在第四场景中，递送的氧气的总量是743ml+344ml-78ml＝1009ml。
在上述实施例中，手持式设备4通过将设备4耦合到富氧气体的源或具有富氧气体的源的基底单元6而被再充。在一些实施例中，能够将容器12从手持式设备4拆卸和移除，以使得它能够被单独地再充(例如，在基底单元6中或者通过将其耦合到富氧气体的源)。该实施例因此能够允许被再充的容器12与先前被再充的容器12交换，并允许设备4继续立即使用。在该实施例中，将意识到，容器12将被配置为使得当其被从设备4移除时，入口18、31和出口24、32关闭以防止空气进入或离开容器12(这在容器12已经被再充时特别重要)。这可以通过配置阀门20、26、32和36使得它们是可移除容器12的部分或者通过在容器12上提供额外的阀门来实现。
图11图示了根据本发明的另一或另外的方面的手持式设备50。在该方面中，手持式设备50被配置为当对象8吸气时向对象8提供补氧，并且被配置为在对象8呼气时向对象8提供增加的压力或阻力。该手持式设备50能够如在上述实施例中的任一个中所描述和示出的，并且还包括用于在对象8通过对象接口(例如，在图11中的对象接口52)呼气时将正压空气施加给对象8的某个器件。在备选实施例中，手持式设备50能够包括简单的氧气呼吸袋，所述氧气呼吸袋不包括如上所述的吸收材料或风扇，并且设备50包括用于在对象8通过对象接口52呼气时向对象8施加正压空气的某个器件。
所图示的手持式设备50包括：对象接口52，对象通过该对象接口吸气和呼气；第一导管54，其将对象接口52耦合到持有富氧空气的容器56(其能够如以上的图2所示并且还包括吸收材料和/或风扇或鼓风机)；单向阀或止回阀58，其防止呼气进入容器56；以及第二导管60，其将对象接口52耦合到出口(呼气端口)62，呼气从该出口经过。根据该方面，第二导管60包括用于在对象呼气时向对象施加正压空气的某个器件64。在一些实施例中，单元64是第二导管60中的部分阻塞物或限制物，对象通过该部分阻塞物或限制物呼气(例如，导管60的窄化或其它结构)。在一些实施例中，器件64能够被实施为呼气端口62中的被动流量限制物。在其它实施例中，器件64在对象呼气时主动向对象提供正压。本领域技术人员将意识到使用手持式设备将正压空气主动提供给对象的方法，并且因此在本文中将不再进一步详细描述这些方法。
在一些实施例中，手持式设备4或系统2的另一部分可以包括用于测量对象8中的氧气水平的传感器。这样的传感器能够是测量外围毛细血管氧饱和度(SpO2)的传感器。
在其它或另外的实施例中，手持式设备4或系统2能够是设备的较大“生态系统”的部分，例如，智能手机接口/应用、智能传感器和各种对象接口中的任意一个或多个。如上所述，能够与手持式设备4一起使用的一个传感器是SpO2传感器，该SpO2传感器用于测量外周氧合水平，例如在指尖或耳朵处的氧合水平。在一些实施例中，SpO2传感器和/或其它类型的传感器被并入到腕表或类似设备中，以允许在活动和/或锻炼期间测量SpO2，以便识别可能的锻炼引发的去饱和事件(例如，氧气水平低于90％)。在这些实施例中，智能手机能够用于向对象8提供反馈或指令，以在水平低于阈值的情况下补充其氧气水平。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (16)

1.一种用于向对象(8)提供补氧的设备(4)，所述设备(4)包括：
对象接口(10)，所述对象(8)能够通过所述对象接口吸气；
容器(12)，其具有：
第一出口(18)，其连接到所述对象接口以允许存储于所述容器(12)中的具有提高的氧气水平的气体被所述对象(8)吸入；
第一入口(24)；以及
材料(15)，其用于从经过所述容器(12)的空气移除特定气体以增加经过所述容器(12)的所述空气的氧气含量；
鼓风机(14)，其连接到所述容器(12)的所述第一入口(24)，并被配置为当所述对象(8)使用所述设备(4)时将空气供应到所述容器(12)中；
第一阀门(20)，其被定位在所述容器(12)与所述对象接口(10)之间，以用于使得补氧的流能够到所述对象(8)。
2.根据权利要求1所述的设备(4)，其中，所述设备还包括控制单元(16)，所述控制单元用于控制所述手持式设备(4)的操作。
3.根据权利要求2所述的设备(4)，其中，所述容器(12)被配置为以高于大气压的压力存储具有提高的氧气水平的气体。
4.根据权利要求3所述的设备(4)，其中，所述鼓风机(14)被配置为由所述控制单元(16)启用，以在存储于所述容器(12)中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力处于或接近大气压时将空气供应到所述容器(12)中。
5.根据权利要求4所述的设备(4)，其中，所述鼓风机(14)被配置为当满足以下条件中的任一个时由所述控制单元(16)停用：
(i)当所述材料(15)对所述特定气体饱和时；
(ii)在所述对象(8)的第一次吸气之后的预定时间之后；
(iii)在从所述设备(4)的上次再充起所述对象(8)已经使用所述设备(4)达预定时间之后；
(iv)在所述对象(8)吸气预定次数之后；
(v)当被供应到所述对象(8)的气体的温度升高时；或者
(vi)当被供应到所述对象(8)的气体的氧气含量低于阈值时。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(4)，其中，所述第一入口(24)和所述第一出口(18)相对于彼此进行布置，使得由所述鼓风机(14)通过所述第一入口(24)吹入到所述容器(12)中的空气将存储于所述容器(12)中的具有提高的氧气水平的气体通过所述第一出口(18)而推出。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(4)，所述设备(4)还包括止回阀(26)，所述止回阀被定位在所述鼓风机(14)与所述第一入口(24)之间，所述止回阀(26)被配置为在存储于所述容器(12)中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力高于大气压时关闭，以便防止在所述鼓风机(14)被停用时所述容器(12)中的气体流动通过所述鼓风机(14)，并且所述止回阀被配置为在存储于所述容器(12)中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力处于或低于大气压时打开，以便允许通过所述鼓风机(14)将空气供应到所述容器(12)中。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(4)，所述设备(4)还包括：
第二入口(31)，其被配置为在再充过程期间接收具有提高的氧气水平的气体；以及
第二出口(32)，其被配置为在所述再充过程期间排出废气。
9.根据权利要求8所述的设备(4)，所述设备(4)还包括：
加载阀(36)，其连接到所述第二入口(31)，所述加载阀被配置为在再充过程开始时打开以允许具有提高的氧气水平的气体被供应到所述容器(12)中，以便净化所述特定气体的所述材料；以及
排气阀(42)，其连接到所述第二出口(32)，所述排气阀被配置为在所述再充过程开始时打开，以允许废气离开所述容器(12)。
10.根据权利要求9所述的设备(4)，其中，所述排气阀(42)被配置为在所述再充过程期间关闭，同时通过所述加载阀(36)和所述第二入口(31)将具有提高的氧气水平的气体供应到所述容器(12)中，以便在所述容器(12)中存储具有提高的氧气水平的气体。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(4)，所述设备(4)还包括：
用于在所述对象(8)通过所述对象接口(10)呼气时向所述对象(8)供应正压空气的器件(64)。
12.一种补氧系统(2)，包括：
根据权利要求1-11中的任一项所述的设备(4)；以及
具有提高的氧气水平的气体的源(6)，所述源能够选择性地耦合到所述设备(4)，以便利用具有提高的氧气水平的气体对所述设备进行再充和/或净化所述特定气体的所述材料。
13.一种向对象提供补氧的方法，所述方法包括：
提供一种设备，所述设备包括对象接口、容器，以及阀门，其中，对象能够通过所述对象接口吸气，所述容器具有第一出口、第一入口、材料，以及鼓风机，其中，所述第一出口连接到所述对象接口以允许存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的气体被所述对象吸入，所述材料用于从经过所述容器的空气移除特定气体以增加经过所述容器的所述空气的氧气含量，所述鼓风机连接到所述容器的所述第一入口，并被配置为将空气供应到所述容器中，所述阀门用于控制供应的空气的流动，所述阀门被定位在所述鼓风机与所述第一入口之间；
通过所述第一出口和所述对象接口将具有提高的氧气水平的气体分配(101)给所述对象；并且
在所述对象使用所述设备期间，启用(103)所述鼓风机以将空气供应到所述容器中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在分配(101)的所述步骤之前，所述容器以高于大气压的压力存储具有提高的氧气水平的气体，并且其中，当存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的所述气体的压力处于或接近大气压时执行启用所述鼓风机的所述步骤(103)。
15.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法还包括对所述设备进行再充的步骤，对所述设备进行再充的所述步骤包括：
将所述容器的第二入口连接(121)到具有提高的氧气水平的气体的源；
从所述源通过所述容器供应(123)具有提高的氧气水平的气体，以净化所述特定气体的所述材料；并且
允许(123)经净化的特定气体通过所述容器的出口离开所述容器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，对所述设备进行再充的所述步骤还包括：
在所述特定气体的所述材料已经被净化时，防止(125)气体离开所述容器，使得来自所述源的具有提高的氧气水平的气体被存储于所述容器中；并且
继续(125)供应具有提高的氧气水平的气体到所述容器中，直到存储于所述容器中的具有提高的氧气水平的所述气体处于要求的压力。
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