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便携式浓缩器的新设计可实现可靠的充氧

随着世界各地的卫生工作者为感染了 SARS-CoV-2 及其多种变体的人提供护理,医用氧气的短缺继续对已经捉襟见肘的医院造成严重影响。虽然便携式制氧机为许多呼吸窘迫的人提供了一些缓解,但这些机器有时无法产生足够的医用氧气来满足症状恶化患者的波动需求,需要他们重新住院。

德克萨斯 A&M 大学的研究人员预计,随着与大流血的激烈斗争,对更好的氧气浓缩器的需求会增加,他们已经建立了一个计算框架,以设计最优化的浓缩器来过滤环境空气并生产可以根据患者需求调整的氧气。

“大流行给我们的医疗和急救设施造成了巨大压力,需要就医的人数激增,医院的通风设备数量有限,”副教授 Faruque Hasan 博士和 Kim McDivitt '88 说和 Phillip McDivitt '87 授予的 Artie McFerrin 化学工程系教员。“但是,如果我们设计出一种更先进、更紧凑、更便携的制氧机,该制氧机具有灵活的操作条件,可以根据患者的需要输送尽可能多的氧气,我们就可以避免一些住院病例。”

研究人员指出,基于他们设计的制氧机还可以帮助那些患有其他呼吸系统疾病的人,如慢性阻塞性肺病、和哮喘。

这项研究的描述在线发表在《自然科学报告》杂志上。

与为患者持续供应纯氧的氧气罐不同,便携式制氧机从环境空气中去除氮气。氮气的剥离是由于一种称为吸附的过程,其中某些种类的空气分子被困在固体表面上。在吸附剂的众多选择中,称为沸石的天然或合成材料就像筛子一样,在保持氮气的同时允许氧气通过。

但是,尽管它们具有整体优势,但制氧机通常设计为具有固定的规格,从而限制了它们在满足患者医疗状况或活动变化引起的氧气需求方面的使用。例如,患者的氧气需求在流速和纯度方面可能会有所不同,并且当前的氧气浓缩器不能用于同一医院环境中需要非常不同的通气的多个不同患者。

“在理想情况下,我们需要一个系统,该系统可以在满足不同产品规格的同时,在不同操作模式之间快速切换以实现按需制氧,”Hasan 实验室前研究生、该研究的主要作者 Akhil Arora 博士说。

为了改进当前医用氧气浓缩器的设计,Arora 首先选择了三种类型的沸石——LiX、LiLSX 和 5A——进行分析。接下来,他进行了基于物理的模拟,模拟沸石的不同特性以及氧气浓缩器的特性,包括吸附室的大小和吸附过程中的不同阶段。

然后,使用 Texas A&M 的高性能计算集群,他同时改变了模拟的所有这些输入,以达到最佳操作范围,从而产生紧凑、易于运输和高性能的医用氧气浓缩器。特别是,他发现 LiLSX 的性能优于 LiX 和 5A 沸石,以高速率生产 90% 的纯氧。此外,研究人员发现基于 LiLSX 的系统可用于产生不同水平的氧气纯度和流速。

专家表示,他们的研究也是创建家用便携式网络物理系统的第一步,该系统可以根据患者的需要改变氧气供应。因此,如果患者在症状恶化时需要更多氧气,内置算法可以分析来自氧气传感器的数据以预测是否需要更多通气,并将该信息传递给场外医生,然后他们可以使用他们的判断远程更改设置医用制氧机。

哈桑说:“目前,需要医疗专业人员根据患者的情况进行吸氧,因此无法在家进行监测。” “我们希望设计一种更具成本效益、灵活、可控的医用制氧机,可以在家中提供个性化的氧气供应。”

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