DE69617477T3 - Hypoxisches raumsystem und einrichtung für hypoxisches training und therapie - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Liefern an Sauerstoff abgereicherter Luft an einen Benutzer zu einem hypoxischen Training oder für eine hypoxische Therapie, bei dem Bergluft mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt verschiedener Höhen simuliert wird, und insbesondere auf ein System, das den Sauerstoffgehalt und die Feuchtigkeit der an Sauerstoff abgereicherten Luft regelt, die zur kontaktfreien Einatmung durch einen Benutzer geliefert wird.
  • Hypoxisches Training aktiviert das Immunsystem und die Abwehrkräfte des Organismus und wird für medizinische, Gesundheits- und Fitnesszwecke verwendet. Hypoxisches Training ist eine medikamentenfreie Alternative zur Behandlung und Prävention kardiopulmonärer, gastrointestinaler, gynäkologischer, Haut- und Augenkrankheiten, sowie verschiedener Typen von Allergien, neurologischer Störungen und anderer Krankheiten. Hypoxisches Training wird auch erfolgreich zum Steigern von Kraft, Ausdauer, Vitalität und Widerstand gegenüber verschiedenen Krankheiten von gesunden Menschen und Sportlern verwendet.
  • Im europäischen Patent EP 0 472 799 A1 ist ein Typ einer kommerziell erhältlichen Einrichtung für hypoxisches Training gezeigt. Die Vorrichtung verwendet einen leistungsstarken Kompressor zum Pressen von Luft durch hohle Polyfibermembranen, um eine an Sauerstoff abgereicherte Gasmischung an den Benutzer zu liefern.
  • Diese Vorrichtung hat eine Anzahl von Nachteilen, wie zum Beispiel extrem hohes Gewicht und Geräuschentwicklung und auch einen Druck der gelieferten Gasmischung, der höher als Atmosphärendruck ist. Der Hauptnachteil dieser und anderer derzeit erhältlicher Maschinen ist die Notwendigkeit einer Sterilisierung oder des Verwerfens verschmutzter Elemente des Atmungssystems und die Möglichkeit einer Kontamination des gesamten Systems.
  • In der WO 95/13044 ist ein System zum Regeln der Atmosphäre in einem im Wesentlichen geschlossenen Sport-/Trainingsraum oder einem Raum zur Tierhaltung, insbesondere in Bezug auf einen Teil-Sauerstoffdruck offenbart. Bei diesem bekannten System wird durch Mischen von Stickstoff mit Luft in einem im Wesentlichen geschlossenen Raum eine erwünschte Normaldruckatmosphäre erzeugt – ein Verfahren, dass von Sport- und Medizinwissenschaftlern seit 1970 zur Simulation von Höhenhypoxie verwendet wird. Das System erfordert eine konstante Zufuhr flüssiger Gase und teure Gasspeicherungs-, Misch- und Überwachungseinrichtungen. Außerdem, wenn eine solche Überwachungs- oder Regelvorrichtung versagt, können Menschen in einer stickstoffreichen Atmosphäre sterben. Für das gleiche bekannte Verfahren des Mischens von Stickstoff mit Umgebungsluft wird die mögliche Verwendung von Stickstoff- und Sauerstoffgeneratoren vorgeschlagen, jedoch nicht beschrieben.
  • In der US 5,101,819 ist ein System zum Hervorrufen hypoxischer Symptome in Unterdruckkammern unter Verwendung eines selektiv permeablen Separatorsystems oder eines Stickstoffgeneratorsystems offenbart.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 vorzusehen, das keine der oben erwähnten Nachteile aufweist und das zum hypoxischen Training und zur hypoxischen Therapie effektiv eingesetzt werden kann, indem eine sauerstoffreduzierte Gasmischung an den Innenraum der Atmungskammer geliefert wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte und nützliche Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die mehreren hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden unterschiedliche Kombinationen von Vorrichtungen zum Liefern einer an Sauerstoff abgereicherten Gasmischung zum hypoxischen Training oder für eine hypoxische Therapie, bei der eine Luftzusammensetzung mit vorzugsweise 7%–15% Sauerstoff und 93%–85% Stickstoff benötigt wird.
  • Jede hier vorgestellte Ausführungsform kann in ein Klimatisierungssystem eines Raums, eines Gebäudes oder Bauwerks integriert werden, wobei die Belüftungsschächte und Vorrichtungen des Systems zum Liefern einer hypoxischen Gasmischung verwendet werden.
  • Es folgt eine detaillierte Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform, wobei eine mit Sauerstoff angereicherte Gasmischung aus dem System extrahiert wird.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei der Hypoxikator außen angebracht ist.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Hypoxikators des Membranen-Typs.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Hypoxikators des Typs mit einem Molekularsieb.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Hypoxikators des Typs mit einem Molekularsieb.
  • Das erfindungsgemäße System besteht aus zwei Hauptblöcken einem Hypoxikator (Sauerstoff-Extraktionsvorrichtung zum Liefern von an Sauerstoff abgereicherter Luft mit einer Steuereinheit) und einem eine Atmungskammer aufweisenden hypoxischen Trainingsraum, die miteinander kommunizieren.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Konstruktion einer bevorzugten Ausführungsform 10, und 2 zeigt ein schematisches Funktionsprinzip der gleichen Ausführungsform. Ein zusammenfaltbarer hypoxischer Trainingsraum 11 weist wei the oder harte Wände auf, die vorzugsweise aus Klarglas- oder Polymermaterial hergestellt sind, die von einem Metall- oder Kunststoffrahmen 19 gehalten werden und eine Türe 12, eine Decke 13 und wahlweise eine Bodenplattform aufweisen. Es werden derzeit viele verschiedene Typen ähnlicher Räume als "Reinraum" oder "Inhalationsraum" von Liberty Industries, Simplex Inc., Clean Room Products Inc., Clestra Cleanroom, Inc. und vielen anderen Gesellschaften vertrieben. Die meisten sind für die vorliegende Erfindung geeignet und brauchen nur wenige Veränderungen, wie zum Beispiel das Vorsehen von Lüftungs- und Installationsöffnungen.
  • Ein Hypoxikator 15 verwendet fast das gleiche Funktionsprinzip, wie es auf medizinischem Gebiet bei Konzentratoren des Membrantyps oder des Molekularsiebtyps bekannt ist, die Umgebungsluft in sauerstoffreiche und stickstoffreiche Fraktionen aufteilen. Der Hauptunterschied zwischen dem Hypoxikator und einem Sauerstoffkonzentrator ist, dass bei einem Sauerstoffkonzentrator die sauerstoffreiche Gasmischung verwendet und das Stickstoffkonzentrat in die Atmosphäre entlassen wird und dass beim Hypoxikator die stickstoffreiche Gasmischung verwendet und das Sauerstoffkonzentrat verworfen wird. Der Hypoxikator der vorliegenden Erfindung ist außerdem um ein Vielfaches produktiver und benötigt eine Anzahl von Elementen nicht, die bei Sauerstoffkonzentratorvorrichtungen nötig sind. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein speziell gefertigter Hypoxikator mit einer Membran- oder Molekularsieb-Lufttrenneinheit verwendet, die schematisch in den 5 und 6 gezeigt und später in diesem Dokument beschrieben ist.
  • Der im Inneren des hypoxischen Raumes 11 angebrachte Hypo xikator 15 zieht Innenraumluft durch einen wegwerfbaren Staub- und Bakterienfilter eines Einlasses 16 und trennt sie in durch einen Auslass 17 verworfenes Sauerstoffkonzentrat und in das Innere des Raums 11 durch einen Auslass 18 eingelassenes Stickstoffkonzentrat.
  • Der konstante Gasmischungsentzug aus dem Raum 11 durch den Auslass 17 führt dazu, dass die gleichen Mengen von Frischluft durch die Lüftungsöffnungen 14 eingezogen werden, wodurch im Inneren des Raums 11 ein normaler Atmosphärendruck beibehalten wird. Die Luftflusskapazität der Öffnungen 14 muss größer als der maximale Fluss von Sauerstoffkonzentrat sein, der vom Hypoxikator 15 erzeugt werden kann. Dadurch wird ein gleichmäßiger Atmosphärendruck im Inneren des hypoxischen Raums 11 ermöglicht.
  • Das System hat einen beträchtlichen Vorteil – es ermöglicht auch die Simulation von Unterdruckbedingungen, die in der Wirklichkeit in verschiedenen Höhen vorherrschen, was für das hypoxische Training und die hypoxische Therapie wichtig ist. Zu diesem Zweck können die Lüftungsöffnungen 14 mit Unterdruckventilen ausgestattet sein, die das Erzeugen einer nötigen Druckdifferenz im Inneren des Raums 11 ermöglichen. In diesem Fall ist es ratsam, die Anzahl der Öffnungen 14 auf eine oder zwei Öffnungen größeren Durchmessers zu verringern. Diese Ventile (oder dieses Ventil) sollten mit einer Raumdruck-Überwachungsvorrichtung kombiniert und durch eine Computer-Steuereinheit gesteuert werden, die den Luftdruck im Inneren des Raums 11 gemäß dem Sauerstoffpegel verändert, wodurch eine perfekte Simulation von Bergluftbedingungen in verschiedenen Höhen ermöglicht wird. Geeignete Unterdruckventile mit einer extrem empfindlichen Raumdrucküberwachungsvorrich tung (Modell RPM-1) und noch weitere zusätzliche notwendige Zusatzeinrichtungen sind von MODUS Instruments Inc. erhältlich.
  • Die Leistung des Hypoxikators 15 muss so groß sein, dass der Sauerstoffgehalt der Luft im Inneren des Raums 11 innerhalb einer erwünschten Zeit auf einen erwünschten Pegel herabgesetzt werden kann. Bevorzugt werden jene, die mindestens 450 Liter (15 Kubikfuß) pro Minute eines Stickstoffkonzentrats mit einer Mindestreinheit von 90% erzeugen können, was für einen Einzeltrainingsraum genug sein sollte. Bei größeren Räumen sollten leistungsstärkere Hypoxikatoren verwendet werden, oder am Eingang eine Schleusenkammer eingerichtet werden, um bei häufigen Türöffnungen Energie zu sparen. Es ist nicht nötig, die Tür-, Wand- und Deckenfugen des hypoxischen Raumes 11 absolut Luftdicht zu machen, und er kann auch ohne eine Bodenplattform eingesetzt werden.
  • Der hypoxische Raum sollte mit einem Sauerstoffgehaltsensor und einem Sauerstoffmangelalarm (beide nicht gezeigt) ausgestattet sein. Geeignete Geräte werden von Micro Switch (eine Tochter von Honeywell), Sensormedics Corp., Servomex, Matheson Gas Products, Enmet Corp. und anderen hergestellt.
  • Der Sauerstoffgehaltsensor misst ständig den Sauerstoffgehalt in dem Raum und überträgt die Daten an eine (nicht gezeigte) Computer-Steuereinheit, welche die Leistung des Hypoxikators 15 steuert, um erwünschte Luftparameter gemäß einem Trainings- oder Therapieprotokoll zu erreichen und aufrecht zu erhalten.
  • Bevorzugte Sauerstoffgehaltparameter für ein hypoxisches Training oder eine hypoxische Therapie liegen im Bereich von 7%–13% für einen kontrollierten medizinischen Einsatz und 11%–15% für einen öffentlichen Einsatz zu Fitnesszwecken.
  • Außerdem ist es für medizinische Zwecke nötig, ein Pulsoximeter zu verwenden, das eine SaO2-Blutsättigung mit Sauerstoff misst, vorzugsweise ein Finger-Pulsoximeter. Von Nellcor Inc., Edentec, Ohmeda, Puritan-Bennet Corp. und Simed Corp. hergestellte Geräte sind geeignet.
  • Das auf einem Finger eines Benutzers getragene Oximeter überträgt ständig die Pulsfrequenz und SaO2-Daten an die Computer-Steuereinheit, welche die für den Benutzer geeignetsten hypoxischen Parameter wählt.
  • Eine (nicht gezeigte) Feuchtigkeits- und Temperatursteuereinheit kann im System angebracht werden, um die Feuchtigkeit und Temperatur im Inneren des Raums 11 zu steuern.
  • Wenn der Raum 11 in Benutzung und die Tür 12 geschlossen ist, zieht der Hypoxikator 15 die Innenraumluft durch den Einlass 16, wobei nur die sauerstoffarme Gasmischung durch den Auslass 18 rückgeleitet und das Sauerstoffkonzentrat durch den Auslass 17 außerhalb des Raums 11 ausgelassen wird. Frischluft wird durch die Lüftungsöffnungen 14 eingezogen, wodurch der Atmosphärendruck im Inneren des Raums 11 ausgeglichen wird, und mit der sauerstoffarmen Luft gemischt, die durch den Auslass 18 hereinkommt. Das Sauerstoffgehaltniveau der Luft im Inneren des Raums 11 fällt auf voreingestellte Verhältnisse, die während der Sitzungszeit gemäß eines Trainings- oder Therapieprotokolls und Benutzerbedingungen von der Computer-Steuereinheit aufrecht erhalten werden.
  • Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung ist ein allmähliches Verringern des Sauerstoffgehalts der Luft im Inneren des hypoxischen Raums während der Sitzung, was eine bessere Gewöhnung an hypoxische Bedingungen ermöglicht und einen hypoxischen Schock ausschließt. Eine Computer-Steuereinheit informiert den Benutzer ständig über die simulierte Höhe, die er während einer Sitzung erreicht.
  • Das von einem Benutzer während einer Trainings- oder Therapiesitzung erzeugte Kohlendioxid sinkt aufgrund seiner höheren Dichte ab und wird durch den unten angebrachten Einlass 16 aus dem Raum 11 entfernt. Aufgrund seiner Permeabilität, die höher als diejenige von Sauerstoff und Stickstoff ist, dringt Kohlendioxid schneller in Sauerstofftrennmembran des Hypoxikators 15 ein und wird durch den Auslass 17 voll in die Atmosphäre entlassen. Im Fall eines Hypoxikators des Molekularsiebtyps verbleibt das Kohlendioxid bei dem Sauerstoffkonzentrat und wird ebenfalls vollständig entfernt.
  • Wenn im Inneren des Raums 11 das erwünschte Sauerstoffgehaltniveau hergestellt wurde und die Computer-Steuereinheit die Leistung des Hypoxikators 15 beträchtlich verringert, wird das ständig von einem Benutzer erzeugte Kohlendioxid immer zuerst und vollständig aus dem Raum 11 entfernt.
  • Außerdem wird überflüssige Feuchtigkeit aufgrund der schnelleren Permeabilität von Wasserdampf durch die Sauerstofftrennmembran auch aus dem Raum 11 entfernt, doch wird die Feuchtigkeit der Luft im Inneren des Raums 11 aufgrund des Vorhandenseins der Lüftungsöffnungen und der kinetischen Eigenschaften von Wasserdampf ständig wiederhergestellt.
  • 3 zeigt schematisch die Konstruktion einer alternativen Ausführungsform 30, die sich von der bevorzugten Ausführungsform lediglich durch die Außenanbringung des Hypoxikators 35 unterscheidet. Die Luft im Inneren des hypoxischen Trainingsraums 31 wird durch den Einlass 36 in den Hypoxikator 35 eingezogen, wo sie in ein durch den Ausgang 37 ausgelassenes Sauerstoffkonzentrat und eine durch den Auslass 38 in den Raum 31 rückgeführte sauerstoffarme Gasmischung getrennt wird usw. Alle anderen Teile und Vorrichtungen sind die gleichen wie bei der bevorzugten Ausführungsform.
  • 4 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform 40, bei der die sauerstoffarme Luft in den Raum 41 gepumpt wird. Der vorzugsweise außerhalb des Raums 41 angebrachte Hypoxikator 45 zieht durch den Staubfilter des Einlasses 46 Außenluft an und lässt eine sauerstoffreiche Gasmischung durch den Auslass 47 aus, während sauerstoffarme Luft durch den Auslass 48 in den Raum 41 geblasen wird.
  • Bei dieser Ausführungsform sollten Lüftungsöffnungen 44 vorzugsweise im unteren Teil der Raumwände angebracht werden, wodurch es möglich wird, das Kohlendioxid zuerst auszublasen. Die Luftflusskapazität der Lüftungsöffnungen 44 muss größer als das Volumen der eintretenden Gasmischung bei maximaler Leistung des Hypoxikators 45 sein, da es nötig ist, innerhalb des hypoxischen Trainingsraums 41 einen normalen Atmosphärendruck beizubehalten.
  • Diese alternative Ausführungsform erfordert einen Luftbefeuchter, um die Feuchtigkeit der eintretenden trockenen Gasmischung im gewünschten Verhältnis wiederherzustellen. Dies ist nötig, da Wasserdampf schneller als andere Gase durch eine Sauerstofftrennungsmembran tritt, was das sauerstoffarme Retentat zur angenehmen Verwendung zu trocken werden lässt. Im Fall eines Separators mit einem Molekularsieb wird Wasserdampf mit dem Sauerstoffkonzentrat entfernt.
  • Der bevorzugt Typ eines Luftbefeuchters ist ein Scheiben-Sprüh-Spender, der bei Klimatisierungssystemen weit verbreitet ist und die Energie des hereinströmenden Luftstroms zum Erzeugen von Mikrowassertropfen benutzen kann, die sofort verdunsten. Andere zur Verwendung zu Hause oder in Büros kommerziell erhältliche Luftbefeuchter sind ebenfalls für die vorliegende Erfindung geeignet und können getrennt innerhalb oder außerhalb eines hypoxischen Raums angebracht werden. Alle anderen Teile und Vorrichtungen sind ähnlich wie bei der bevorzugten Ausführungsform. Unterdruckbedingungen können gegebenenfalls durch die Verwendung von Unterdruckventilen bei den Lüftungsöffnungen 44 leicht hergestellt werden, die durch eine Raumdruck-Überwachungseinrichtung und eine Computer-Steuereinheit ähnlich wie bei der bevorzugten Ausführungsform gesteuert werden.
  • 5 zeigt schematisch eine Konstruktion und ein Funktionsprinzip des Hypoxikators 50 des Membranentyps. Ein Kompessor 51 zieht Umgebungsluft an und liefert Druckluft durch eine Röhre 52 in eine Membrantrenneinheit 53, in der sie in ein sauerstoffreiches Permeat und ein sauerstoffarmes Retentat getrennt wird. Das Permeat wird von einer Saugpumpe 54 angesogen und durch die Röhrenleitung 56 ausgelassen, und das Retentat wird durch die Röhrenleitung 55 in den (nicht gezeigten) hypoxischen Raum eingelassen.
  • Das System kann auch ohne die Saugpumpe 54 funktionieren, die hier nur zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Trenneinheit 53 eingebaut ist. Ansonsten kann ein Lüfter oder ein Gebläse anstelle eines Kompressors 51 verwendet werden, wobei dann eine leistungsfähige Saugpumpe 54 zur Erzielung des höchsten Lufttrenngrads an den Membranen der Trenneinheit 53 erforderlich ist.
  • Für die vorliegende Erfindung am geeignetsten sind Thomas-WOBL-Doppelkolbenkompressoren (Serien 1207 und 2807) und Thomas-WOBL-Kolben-oder-Dreh-Vakuumpumpen (Serien TF16, TF25 und 2750), die von Thomas Industries, Inc. hergestellt werden.
  • Die Membrantrenneinheit 53 ist in ihrer Konstruktionsweise bekannt und kann aus einem Satz parallel verbundener Membranzellen oder einzelner Zellen bestehen, die entweder flache oder kapillare Membranen verwenden. Der Einlass der Trenneinheit 53 empfängt Druckluft aus der Röhrenleitung 52 und trennt die Luft an der Membrane und liefert das sauerstoffarme Retentatgas durch den Auslass in die Röhrenleitung 55. Die Trennung geschieht durch eine Druckdifferenz, die durch einen Kompressor 51 und/oder eine Saugpumpe 54 erzeugt wurde, wobei die sauerstoffreiche Permeatgasmischung aufgrund dieser aus dem Kompressor und der Saugpumpe bestehenden Anordnung ausgestoßen und die Retentatgasmischung weiter in einen hypoxischen Raum eingeleitet wird. Ähnliche Membrantrenneinheiten, normalerweise mit Hohlfaser-Polymermembranen, werden derzeit in medizinischen Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen verwendet.
  • Der beste Werkstoff für die Membranen wird aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Poly(dimethylsiloxan), das auch als PDMS bezeichnet wird oder ein Kopolymer davon, oder Poly[1-(Trimethylsilyl)-1-Propin], das auch als PMSP bezeichnet wird, erhältlich von Sanyo Chemical Co., Matsushita Electric Company oder General Electric Co.. Zur Herstellung der Membranen der vorliegenden Erfindung sind Silikongummi, natürlicher Gummi, Kohlenstoff, Polybutadien, Polystyren, Ethylzellulose, Butylkautschuk, Teflon-FEP, Polyvinylacetat, Poly(2,6-Dimethylphenylenoxid) oder Poly(methylpenten-1) ebenfalls geeignet. Zur Herstellung der Membranen sind poröses Polyethylen oder Polypropylen, das von Terumo, Bentley, Johnson & Johnson, Bard, Baxter Travenol, 3M, Shiley oder Cope erhältlich sind, ebenfalls geeignet. Dem Fachmann werden noch weitere geeignete Werkstoffe einfallen, der ohne eine Abweichung von der Erfindung auch andere äquivalente Materialien verwenden kann.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Membranzellen aus einer porösen, röhrenförmigen Stützstruktur mit einer permeablen flachen Membranschicht auf der Retentatsseite der Stützstruktur hergestellt, wobei die Membranschicht vorzugsweise aus einem höchst permeablen organischen, synthetischen, Keramik-, Glas-, Metall-, Verbund-, mineralischen oder biologischen Werkstoff, oder Kombinationen davon in symmetrischer, asymmetrischer oder Verbundform, porös oder nicht porös ist. Kapillare oder Hohlfaser-Membranen können ebenfalls an Stelle flacher Membranen effektiv eingesetzt werden.
  • Auf Grund ihrer kinetischen Eigenschaften dringen Wasserdampf, Kohlendioxid und Sauerstoff schneller durch Membranen als Stickstoff, was eine Auswahl der permeabelsten Membran beim niedrigst möglichen Luftdruck erlaubt, um einen Wirkungsgrad der Membrantrenneinheit 53 zu erhöhen.
  • Gegebenenfalls kann ein Luftbefeuchter mit dem Hypoxikator 50 verbunden sein oder getrennt im hypoxischen Raum installiert sein.
  • 6 zeigt schematisch eine Konstruktion und ein Funktionsprinzip des Molekularsieb-Hypoxikators 60, die medizinischen Sauerstoffkonzentratoren fast ähnlich sind, die seit Mitte der 70-er Jahre vertrieben werden und mit dem ursprünglichen Skarstrom-Zyklus funktionieren.
  • Ein Kompressor 61 zieht Umluft an und kompremiert sie vorzugsweise auf einen Druck von 3 bis 10 Bar. Druckluft wird durch den Auslass 62, Schaltventile 63 und Luftflusspfade 64 an eine Siebsäule 65 oder Siebsäule 66 alternierend geliefert. Das Molekularsiebmaterial der Siebsäulen 65, 66 adsorbiert Stickstoff aus der Druckluft, wodurch es Sauerstoff und anderen Gasen erlaubt wird, durch die Ausleitröhrenleitungen 67 und 68 zu gelangen.
  • Die zwei Siebsäulen 65 und 66 werden auf zyklische Weise abwechselnd unter Druck gesetzt, wobei Luftflusspfade 64 durch Solenoidschaltventile 63 geschaltet werden. Die Siebsäulen werden vorzugsweise aus Stahl hergestellt, der für Hochdruckgasbehälter verwendet wird. Sobald das Siebmaterial in der Siebsäule 65 mit Stickstoff gesättigt ist, öffnet sich ein Druckventil 69, wodurch die Säule 65 nicht mehr unter Druck steht, wodurch es Stickstoff erlaubt wird, durch die Röhrenleitung 71 zum Mischauslass 73 zu fließen, der mit dem (hier nicht gezeigten) hypoxischen Raum verbunden ist. Einiges von dem zu dieser Zeit von der Säule 66 erzeugten Sauerstoff wird zum Spülen der Säule 65 verwendet (Verbindungen von der Röhrenleitung 68 zur Säule 65 und von 67 zu 66 sind aus Gründen der vereinfachten Darstellung hier nicht gezeigt). Zu dieser Zeit wird die Siebsäule 66 mit Stickstoff gesättigt, und es öffnet sich ein Ventil 70, das es ermöglicht, dass sich der Druck in der Säule 66 abbaut und der Stickstoff durch eine Röhrenleitung 72 zum Mischauslass 73 fließt. Der vollständige Zyklus wird dann wiederholt.
  • Sauerstoff-Auslass-Röhrenleitungen 67 und 68 mit Druckregelventilen 74 und 75 können hier miteinander verbunden werden, so dass Sauerstoff durch eine einzige Röhre zu einem Auslasspunkt ausgelassen werden kann.
  • Die Leistung des Kompressors 61 wird durch eine manuelle oder Computer-Steuereinheit gesteuert, die ständig Daten von einem Sauerstoffgehaltsensor, einem Oximeter und anderen elektronischen Sensoren in einem hypoxischen Raum empfängt.
  • Die besonders bevorzugten Materialien zum Adsorbieren von Stickstoff sind Molekularsieb-Zeolithe oder kristalline Alumosilikate von Alkali-Erden-Elementen, sowohl künstlich als auch natürlich vorkommend, und Molekularsieb-Kohlenstoff des Typs CMSO2, der von Calgon Corp., Bergbau-Forschung GmbH in Deutschland und Takeda Chemical Company in Japan erhältlich. Organische Zeolithe, Pfeiler-Zwischenschicht-Tone (PILCS) und andere geeignete Molekularsieb-Materialien können ebenfalls verwendet werden.
  • Die Produktivität des Hypoxikators in dieser Ausführungsform sollte vorzugsweise in einem Bereich von 30 bis 50 Litern pro Minute von Sauerstoff mit 80% bis 90% Reinheit sein, was in einem Trainingsraum mit einem Volumen von 5 Kubikmetern (185 Kubikfuß) innerhalb von ungefähr 10 bis 20 Minuten einen hypoxischen Zustand mit 12% O2 ermöglicht.
  • Der geeignetste Kompressor für diese Ausführungsform ist der Thomas-WOBL-Kolbenkompressor. Ein Luftbefeuchter kann gegebenenfalls mit dem Hypoxikator 60 verbunden oder getrennt in einem hypoxischen Raum installiert sein.
  • 7 zeigt schematisch die Ausführungsform des Hypoxikators 80 mit dem größten Wirkungsgrad, bei dem vorzugsweise ein Kohlenstoff-Molekularsieb des Typs CMSN2 in einem Druckwechsel-Adsorptionssystem (PSA-System) verwendet, das eine Herstellung von Stickstoff mit einer Reinheit von bis zu 99,9 und absolut frei von Kohlendioxid erlaubt.
  • Der Kompressor 81 liefert Druckluft vorzugsweise mit einem Druck bis zu 3 bis 10 Bar durch Auslass 82, Schaltventil 83 und Verbindungen 84 an die Molekularsiebsäulen 85 und 86. Jede Siebsäule wird abwechselnd in zyklischer Weise unter Druck gesetzt und liefert Stickstoff, bis es mit Sauerstoff gesättigt ist. Die Säule 85 wird durch Schließen eines Druckventils 89 unter Druck gesetzt, und der Adsorptionsvorgang beginnt. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid werden vom Adsorptionsmittel adsorbiert, und Stickstoff fließt durch das Druckregelventil 94 und die Röhrenleitung 87 zum Mischauslass 93, der an den (nicht dargestellten) hypoxischen Raum angeschlossen ist. Wenn das Adsorptionsmittel in der Säule 85 mit Sauerstoff gesättigt wird, schaltet das Solenoidventil 83 den Flusspfad der Druckluft auf die Säule 86 um, das durch Schließen des Druckventils 90 unter Druck gesetzt wird.
  • Zur gleichen Zeit von der Säule 85 durch Öffnen des Ven tils 89 der Druck weggenommen, wodurch es Sauerstoff ermöglicht wird, aus dem Adsorptionsmittel zu entweichen und die Röhrenleitung 91 und den Auslass 96 entsorgt zu werden. Zu dieser Zeit wird das Adsorptionsmittel in der Siebsäule 86 mit Sauerstoff gesättigt, und das Ventil 83 schaltet den Luftflusspfad auf die Säule 85 um, das durch Schließen des Ventils 89 unter Druck gesetzt wird. Der vollständige Zyklus wird dann wiederholt.
  • Es können Adsorptionseinheiten mit einem, drei oder vier Säulen gegebenenfalls unter Verwendung des gleichen Prinzips hergestellt werden. CMSN2 ist auch von Bergbau-Forschung GmbH und Takeda Chemical Company erhältlich. Zeolithe aus organischen Materialien sind auch geeignet. Unter normalen Betriebsbedingungen ist das Molekularsieb vollständig regenerativ und ist unbegrenzt lange haltbar.
  • Die Thomas-Kolbenkompressoren sind für diese Ausführungsform am geeignetsten. Ein Luftbefeuchter kann an den Hypoxikator 80 angeschlossen oder getrennt im hypoxischen Raum installiert sein. Alle nötigen Schalter, Ventile, Druckregler, Manometer, Druckanzeigesteuerungen und Sender, Filter, Verbindungselemente und Röhrenleitungen sind von Modus Instruments, Inc., Victor Equipment Company und AirSep Corporation erhältlich.
  • Das erfindungsgemäße System könnte an jeden beliebigen geschlossenen Raum oder jedes beliebige geschlossene Gebäude angewendet werden, wie zum Beispiel ein Krankenzimmer in einem Krankenhaus, Wohnräume, Fitnessclubräume, Büro- und Konferenzräume, Schulen und Kindertagesstätten, Theater, Kinos, Restaurants und sogar ein Raum im Inneren eines Kraftfahrzeugs oder eines anderen Transportmittels.
  • Die zwei zum Aufbau eines Systems nötigen Grundbedingungen sind ausreichende Belüftung des Raums, wodurch der Atmosphärendruck sofort immer im Raum wiederhergestellt werden kann und eine sichere Entsorgung des Sauerstoffs. Zum Beispiel kann ein Hypoxikator wie in den 1 bis 4 gezeigt, innen oder außen an einem Fitnessraum angebracht sein, der durch die Tür oder das Fenster eine ausreichende Belüftung besitzt.
  • Das hypoxische Raumsystem kann leicht in ein beliebiges Klimatisierungssystem eines Gebäudes oder Bauwerks integriert werden, indem bestehende Lüftungsschächte und Vorrichtungen zum Liefern der hypoxischen Gasmischung an ein beliebiges Stockwerk oder einen beliebigen Raum im Gebäude verwendet werden. Dies verbessert den Gesundheitszustand der Menschen, erhöht ihre Produktivität und verringert Krankheitskosten. Ein Hypoxikator kann in eine getrennte Zimmerklimaanlage integriert werden.
  • Das in 4 gezeigte Installationsschema des Hypoxikators macht das System am geeignetsten und sichersten zur Verwendung in einem Personenkraftfahrzeug oder anderen Kraftfahrzeugen mit geschlossener Fahrgastzelle. Da die meisten Amerikaner Stunden ihres aktiven Lebens jede Woche in einem Auto verschwenden, könnte einige dieser Zeit zu ihrem Vorteil verwendet werden – für hypoxisches Training.
  • Ein kleiner, vorzugsweise mit 12 Volt Gleichstrom betriebener Hypoxikator mit den vorher beschriebenen Membran- oder Molekularsieb-Trennverfahren kann im Inneren eines Personenkraftfahrzeugs oder hinter einem Armaturenbrett angebracht werden. Im Inneren oder unter den Sitzen ist ebenfalls genug Platz. Ein Hypoxikatorsystem kann eben falls in Lüftungssystem integriert werden. Bei dieser Ausführungsform müssen zwei Bedingungen erfüllt werden, um ein erfindungsgemäßes hypoxisches Raumsystem zu schaffen: Außenluft muss zur Trennung angesaugt und ein Sauerstoffkonzentrat muss außerhalb eines Kraftfahrzeugs ausgeleitet werden. In einer Personenkraftfahrzeugkarosserie gibt es genügend Öffnungen, die die Rolle der Lüftungsöffnungen 44 spielen und den Luftdruck im Inneren eines Kraftfahrzeugs ständig mit dem äußeren Atmosphärendruck abgleichen könnten, und es könnten gegebenenfalls noch mehr Öffnungen geschaffen werden, vorzugsweise bei den Türzargen.
  • Der niedrigste Sauerstoffgehalt der gelieferten Gasmischung bei maximaler Hypoxikatorleistung sollte vorzugsweise 13% bis 15% sein, was absolut sicher und durch den Benutzer nicht merklich ist, und kann sogar zur Bekämpfung von Schläfrigkeit und zur Steigerung der Aufmerksamkeit und Vitalität eingesetzt werden. Wenn ein Membran-Hypoxikator verwendet wird, ist es einfach, die Leistung der Trenneinheit zur stetigen Lieferung von Luft mit 13–15% Sauerstoff voreinzustellen.
  • Im Fall eines Molekularsieb-Adsorptionsseparators sollte der hergestellte Stickstoff in einem Mischungsverhältnis von 1 zu 2,5 mit der Frischluft gemischt werden, wobei eine Luft mit genau 15% Sauerstoff entsteht. Die Mischung muss sicher und automatisch erfolgen, was dadurch erreicht werden kann, dass Stickstoff durch einen "Y"-Mischadapter geleitet wird, der eine größere Frischlufteinlassöffnung hat, durch die 2,5 mal mehr Umgebungsluft als Stickstoff automatisch in das System zur Mischung eingesaugt werden kann. Dies und eine Computer-Steuereinheit mit dem Sauerstoffarmutsalarm werden die Sicherheit des Systems für ein hypoxisches Training im Inneren eines Personenkraftfahrzeugs garantieren.
  • Das in 2 gezeigte Installationsschema ist ebenfalls für geschlossene Kraftfahrzeuge geeignet. In diesem Fall spielen Kraftfahrzeug-Lüftungsschächte und andere Karosserieöffnungen die Rolle der Lüftungsöffnungen 14. Ein Sauerstoffkonzentrat kann durch eine beliebige speziell erzeugte Öffnung für den Auslass 17 abgeleitet werden. Der beste Platz zur Integration des Auslasses 17 ist eine Außenspiegelhalterung, da sie durch den Spiegeleinstellmechanismus mit dem Inneren der Fahrgastzelle kommuniziert, wobei im Inneren der Spiegelhaltevorrichtung eine Verbindungsröhrenleitung angebracht werden sollte, die mit einer speziell hergestellten Öffnung außen endet und am Inneren Paneel der Tür eine Verbindung mit dem Auslass 17 des Hypoxikators hat.
  • Außerdem kann eine aus dem Armaturenbrett oder einem anderen Teil des Innenraums entnehmbare Inhalationsmaske mit Schläuchen zur hypoxischen Luftversorgung für ein hypoxisches Training von Einzelpersonen im Inneren eines Kraftfahrzeugs installiert werden. In diesem Fall sollte eine Maske vorzugsweise von Hand gehalten werden, ohne Halteriemen, was sicherer ist. Diese Art der Anwendung ist für Fernfahrer oder Zugführer am günstigsten. Ein Autofahrer, der sich müde fühlt, könnte eine Sitzung von 3 bis 5 Minuten hypoxischer Inhalation vornehmen, was seine kardiopulmonäre Aktivität, seine Aufmerksamkeit und Vitalität beträchtlich steigern würde.
  • Kraftfahrzeughersteller könnten die vorliegende Erfindung leicht in ein Lüftungssystem eines Fahrzeugs als zusätzli che Luxusausstattung integrieren. Die vorliegende Erfindung könnte als Vorrichtung für einen Schlafverhinderungsmodus für Fahrer aller möglichen Transportmittel vermarktet werden. Das System kann sich automatisch einschalten, wenn ein Benutzer an einem Finger oder an einem anderen Körperteil ein Pulsoximeter trägt, das mit einer Computer- oder Fuzzy-Logic-Steuereinheit verbunden ist. Wenn eine Pulsfrequenz eines Benutzers auf den niedrigsten Pegel für den Benutzer fällt, wird ein System automatisch angeschaltet, und es werden eine Zeitlang hypoxische Bedingungen geschaffen, die zum Steigern der Aktivität des Benutzers auf einen erwünschten Stand nötig sind. Eine Sauerstoffsättigung des Bluts ist ebenfalls unter ständiger Kontrolle.
  • Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems für diese Anwendungsweise ist, dass es einen Benutzer nicht stört und keinen "Panikeffekt" auslöst, der bei Menschen genetisch bedingt ist, wenn ein Teil des Sauerstoffs in der Luft durch Kohlendioxid ersetzt wird. Das System kann auch zum hypoxischen Training von Säugetieren erfolgreich eingesetzt werden.

Claims (20)

  1. System für hypoxisches Training und hypoxische Therapie zum Bereitstellen einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre für einen Benutzer innerhalb einer externen atmosphärischen Luftumgebung mit externem Umgebungsluftdruck, wobei das System aufweist: eine Sauerstoffextraktionsvorrichtung mit einem Einlass (16, 36, 46), über den eine Zufuhrgasmischung zugeführt wird, und einem ersten und zweiten Auslass (17, 37, 47; 18, 38, 48), wobei der erste Auslass (17, 37, 47) eine erste Gasmischung überträgt, die von der Zufuhrgasmischung abgeleitet wird und einen höheren Sauerstoffgehalt als die Zufuhrgasmischung aufweist, und wobei der zweite Auslass (18, 38, 48) eine zweite Gasmischung überträgt, die von der Zufuhrgasmischung abgeleitet wird und einen Sauerstoffgehalt aufweist, der niedriger als der Sauerstoffgehalt der Zufuhrgasmischung, jedoch mindestens 7% ist; eine Atmungskammer, die einen Luft enthaltenden Innenraum und einen Eingang aufweist, der mit dem Innenraum in Verbindung steht und durch den der Benutzer den Innenraum betreten kann; wobei der zweite Auslass (18, 38, 48) mit dem Innenraum in Verbindung steht und die zweite Mischung zum Innenraum leitet, so dass sich die zweite Mischung mit der Luft im Innenraum vermischt, und wobei der erste Auslass (17, 37, 47) die erste Mischung zur äußeren Atmosphärenumgebung leitet; wobei die Atmungskammer Lüftungsöffnungen (14, 34, 44) aufweist, welche den Austausch von Luft in wenigstens einer Richtung zwischen der externen Atmosphärenumgebung und dem Innenraum in einem Ausmaß ermöglicht, dass, in Kombination mit der Sauerstoffextraktionsvorrichtung, die Luft im Innenraum bei einem Druck gehalten wird, der im wesentlichen gleich dem Umgebungsluftdruck der externen Atmosphärenumgebung ist, sowie bei einer im Wesentlichen konstanten Sauerstoffkonzentration, die wenigstens 7 beträgt, jedoch wesentlich niedriger ist als die externe umgebende Sauerstoffkonzentration.
  2. System nach Anspruch 1, bei dem der Einlass (16, 36) der Sauerstoffextraktionsvorrichtung mit dem Innenraum in Verbindung steht und die Zufuhrgasmischung aus der Luft im Innenraum zuführt.
  3. System nach Anspruch 1, bei dem der Einlass (46) der Sauerstoffextraktionsvorrichtung die Zufuhrgasmischung aus der Luft der externen Atmosphärenumgebung zuführt.
  4. System nach Anspruch 3, bei dem die Luftstromkapazität der Lüftungsöffnungen (14, 34, 44) größer ist als das Volumen der von der Sauerstoffextraktionsvorrichtung gelieferten zweiten Gasmischung.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luft im Innenraum eine Sauerstoffkonzentration von 7 bis 15% hat.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Innenraum der Atmungskammer eine Trainingsvorrichtung zum Trainieren des Benutzers vorgesehen ist.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Atmungskammer eine Tür (12) und eine Wandstruktur aufweist, welche einen geschlossenen Raum begrenzen, in den der Benutzer durch die Tür (12) hindurch eintreten kann.
  8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstoffextraktionsvorrichtung außerhalb der Atmungskammer angeordnet ist, wobei der zweite Auslass (38, 48) mit der Kammer derart verbunden ist, dass die sauerstoffreduzierte Gasmischung in den geschlossenen Raum innerhalb der Kammer ausgegeben wird und sich mit der darin befindlichen Luft vermischt, wodurch bewirkt wird, dass die Luft im geschlossenen Raum eine niedrigere Sauerstoffkonzentration als die Luft außerhalb der Kammer hat.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstoffextraktionsvorrichtung eine Trenneinheit aufweist, zu der die Zufuhrgasmischung vom Einlass (16, 36, 46) übertragen wird, wobei die Trenneinheit die Zufuhrgasmischung in eine sauerstoffreduzierte Gasmischung mit einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration als die Zufuhrmischung und eine sauerstoffangereicherte Gasmischung mit einer höheren Sauerstoffkonzentration als die Zufuhrmischung trennt, wobei die Trenneinheit eine Leitung (55, 71, 72, 87, 88) für die sauerstoffreduzierte Mischung aufweist, durch die die sauerstoffreduzierte Gasmischung gefördert wird, und eine Leitung (56, 67, 68, 91, 92) für die sauerstoffangereicherte Mischung, durch die die sauerstoffangereicherte Gasmischung gefördert wird; wobei der zweite Auslass (18, 38, 48) wirkungsmäßig mit der Leitung für die sauerstoffreduzierte Mischung (55, 71, 72, 87, 88) verbunden ist und von dieser die sauerstoffreduzierte Gasmischung empfängt, wobei der erste Auslass (17, 37, 47) wirkungsmäßig mit der Leitung für die sauerstoffangereicherte Mischung (56, 67, 68, 91, 92) verbunden ist und von dieser die sauerstoffangereicherte Gasmischung empfängt sowie die sauerstoffangereicherte Mischung in die äußere Umgebung freigibt.
  10. System nach Anspruch 9, bei dem die Trenneinheit ein Gehäuse aufweist, das einen Raum begrenzt, wobei das Gehäuse eine Trennmembran aufweist, die darin gehaltert ist und den Raum teilt, um einen Retentatraum und einen Permeatraum zu bilden, wobei die Trenneinheit ferner eine Pumpe aufweist, welche die Gasmischung durch die Membran hindurch pumpt und bewirkt, dass hierdurch die Gasmischung im Permeatraum in ein sauerstoffangereichertes Permeat, das zum ersten Auslass (17, 37, 47) geleitet wird, und ein sauerstoffreduziertes Retentat im Retentatraum getrennt wird, das zum zweiten Auslass (18, 38, 48) geleitet und innerhalb der Kammer ausgegeben wird.
  11. System nach Anspruch 9, bei dem die Sauerstoffextraktionsvorrichtung eine Pumpe aufweist, welche die Zufuhrgasmischung an eine Druckschwankungsadsorptionsvorrichtung heranbringt, welche ein molekulares Siebmaterial aufweist, das Stickstoff aus der Zufuhrgasmischung adsorbiert, die durch die Pumpe komprimiert wird, wobei es die sauerstoffangereicherte Mischung unabsorbiert lässt, die zur sauerstoffangereicherten Leitung (67, 68) geleitet und in die äußere Umgebung ausgegeben wird, wobei die Adsorptionsvorrichtung auf eine Druckverringerung hin ein Stickstoffkon zentratgas freigibt, das als sauerstoffreduzierte Mischung zur sauerstoffreduzierten Leitung (71, 72) gefördert und in die Kammer ausgegeben wird.
  12. System nach Anspruch 9, bei dem die Sauerstoffextraktionsvorrichtung eine Pumpe aufweist, welche die Zufuhrgasmischung zu einer Druckschwankungsadsorptionsvorrichtung führt, die ein molekulares Siebmaterial aufweist, welches Sauerstoff aus der Zufuhrgasmischung adsorbiert, die durch die Pumpe komprimiert ist, wobei es die sauerstoffreduzierte Mischung unabsorbiert lässt, die zur sauerstoffreduzierten Leitung (87, 88) geleitet und in die Kammer ausgegeben wird, wobei die Adsorptionsvorrichtung auf eine Druckverringerung hin ein Sauerstoffkonzentratgas freigibt, das als sauerstoffangereicherte Mischung zur sauerstoffangereicherten Leitung (91, 92) geleitet und in die äußere Umgebung ausgegeben wird.
  13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lüftungsöffnungen (14, 34) in der Kammer in einem oberen Bereich der Kammer angeordnet sind.
  14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Lüftungsöffnungen (44) in der Kammer in einem unteren Bereich der Kammer angeordnet sind.
  15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kammer ein Teil eines Fahrzeugs und der Benutzer ein Fahrer des Fahrzeugs ist, wobei das System die sauerstoffarme Umgebung wahlweise zur Verfügung stellt, um die Wachsamkeit des Fahrers aufrechtzuerhalten.
  16. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuereinheit, welche den Betrieb der Sauerstoffextraktionsvorrichtung steuert, und einem Sauerstoffgehaltsensor, der den Sauerstoffgehalt der Luft innerhalb des Innenraums überwacht und mit der Steuereinheit verbunden ist, um den Sauerstoffgehalt der Luft im Innenraum auf einem gewünschten Niveau zu halten.
  17. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System eine Feuchtigkeits- und Temperatursteuereinrichtung aufweist, welche die Feuchtigkeit und die Temperatur der Luft innerhalb des Innenraums reguliert.
  18. System nach Anspruch 16, bei dem das System ferner einen Pulsoximeter aufweist, welcher die Pulsrate des Benutzers und die Blutsättigung mit Sauerstoff überwacht, wobei der Oximeter Daten zur Steuereinheit überträgt und wobei die Steuereinheit den Sauerstoffgehalt der Luft innerhalb des Innenraums in Abhängigkeit der Oximeterdaten reguliert.
  19. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System innerhalb des Innenraums eine Trainingseinrichtung zum hypoxischen Training von Menschen oder anderen Säugetieren aufweist.
  20. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die den Innenraum aufweisende Kammer Teil eines Gebäudes ist, wobei die Sauerstoffextraktionsvorrichtung in das Klimaanlagensystem des Gebäudes eingebaut ist und Lüftungsöffnungen des Gebäudes zum Befördern der sauerstoffreduzierten Luft in den Innenraum verwendet.
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