Un aparato respiratorio o equipo de respiración es un equipo que permite a una persona respirar en un entorno hostil donde respirar de otra manera sería imposible, difícil, dañino o peligroso, o ayuda a una persona a respirar. Un respirador , un ventilador médico o un reanimador también pueden considerarse aparatos respiratorios. El equipo que suministra o recicla gas respirable distinto del aire ambiente en un espacio utilizado por varias personas suele denominarse parte de un sistema de soporte vital , y un sistema de soporte vital para una persona puede incluir un aparato respiratorio, cuando el gas respirable se suministra específicamente al usuario en lugar de al recinto en el que el usuario es el ocupante.
Los aparatos respiratorios pueden clasificarse por tipo de varias maneras:
La interfaz respiratoria del usuario es el sistema de suministro mediante el cual el aparato respiratorio dirige el flujo de gas respiratorio hacia y desde el usuario. Lo habitual es utilizar algún tipo de máscara, capucha o casco, pero para algunas intervenciones médicas puede ser necesario un método invasivo.
Cada unidad dada es miembro de varios tipos. El conocido equipo de buceo recreativo es un tipo de buceo submarino autónomo, de circuito abierto, con suministro a demanda, aire almacenado a alta presión, presión ambiente, que se suministra a través de una boquilla asegurada con agarre de mordida.
Semánticamente , el término aparato respiratorio implica cualquier conjunto de equipos y materiales específicamente destinados a permitir o facilitar la respiración, que podría incluir equipos tan básicos como un esnórquel o una vía aérea artificial , o tan complejos como una máquina de anestesia o un traje espacial . El uso real varía, y aparato respiratorio, equipo de respiración, ventilador y respirador tienen significados similares y superpuestos que varían según las fuentes elegidas. [1] Equipo de respiración parece ser un sinónimo secundario para aparato respiratorio, ya que las búsquedas en Internet parecen redirigirse todas a aparato respiratorio. Según Merriam-Webster , un ventilador puede ser un dispositivo médico para proporcionar respiración asistida artificialmente, o equipo para hacer circular aire fresco a través de un espacio, mientras que un respirador es generalmente una máscara que se usa para proteger al usuario de contaminantes particulados en el aire, pero también puede significar un dispositivo para proporcionar respiración artificial. El uso en el sentido de una máscara filtrante data de principios del siglo XIX y el sentido de respiración artificial data de la segunda mitad del siglo XIX, por lo que ambos están bien establecidos. [1]
La Dirección de Salud y Seguridad del Reino Unido (HSE) distingue entre respiradores y aparatos respiratorios. Los respiradores se describen como dispositivos de filtrado, que pueden ser eléctricos, utilizando un motor para pasar el aire ambiente a través del filtro, o no eléctricos, dependiendo de la respiración del usuario para aspirar el aire ambiente a través del filtro. Las características distintivas de un respirador en este contexto parecen ser que el aire no se comprime significativamente en ninguna etapa, se filtra y se encuentra aproximadamente a presión ambiental. La definición de la HSE para los aparatos respiratorios es que utilizan un suministro de gas de calidad respirable de una fuente independiente, como compresores de aire o cilindros de gas comprimido. En este caso, se implica la compresión del gas suministrado en alguna etapa. La HSE clasifica tanto a los respiradores como a los aparatos respiratorios como equipos de protección respiratoria . [2]
Vocabulary.com describe un aparato respiratorio como "un dispositivo que facilita la respiración en casos de insuficiencia respiratoria", lo que es una descripción funcional de un respirador médico o un resucitador. [3]
El Diccionario McGraw-Hill de términos científicos y técnicos define el aparato respiratorio como "Un dispositivo que permite a una persona funcionar en gases o fluidos irrespirables o venenosos; contiene un suministro de oxígeno y un regenerador que elimina el dióxido de carbono exhalado", que es la descripción de cualquier tipo o aplicación de rebreather. [4]
La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos (OSHA) utiliza la fuente del gas respirable para distinguir entre los tipos de aparatos respiratorios y considera que los respiradores son un tipo o clase de aparato respiratorio: [5]
Un respirador con suministro de atmósfera es un aparato respiratorio que suministra al usuario gas respirable desde una fuente independiente de la atmósfera ambiental, como los respiradores con suministro de aire (SAR) y los aparatos de respiración autónomos (SCBA). [5]
Un equipo de respiración autónomo (SCBA) es un tipo de equipo de respiración con suministro de atmósfera en el que la fuente de gas respirable la lleva el usuario. [5]
Un respirador con suministro de aire (SAR), o respirador de línea aérea, es un tipo de aparato respiratorio con suministro de atmósfera que utiliza una manguera para suministrar gas respirable desde una fuente que no es transportada por el usuario. [5]
Un respirador purificador de aire es un aparato respiratorio que utiliza un filtro, un cartucho o un bote para eliminar contaminantes específicos del aire haciendo pasar el aire ambiental a través del componente purificador de aire. No se hace distinción en función del mecanismo de paso del aire a través del componente purificador: puede ser los pulmones del usuario o un dispositivo mecánico. [5]
La fuente de gas respirable puede ser la atmósfera ambiente, aire comprimido suministrado desde un compresor de baja presión en tiempo real, aire enriquecido con oxígeno suministrado desde un concentrador de oxígeno, [6] aire comprimido almacenado a alta presión, aire comprimido supercrítico , [7] oxígeno o mezclas de gases mezclados, oxígeno líquido , oxígeno generado químicamente o una combinación de atmósfera ambiente y otra de estas fuentes. [8]
Cuando se utiliza un suministro de gas presurizado, el gas respirable debe suministrarse a la interfaz respiratoria a una presión adecuada para la inhalación, que sea cercana a la presión ambiental. Esto generalmente se hace mediante un regulador de gas respirable, un regulador de reducción de presión , que reduce la presión de suministro de gas desde la línea de suministro. [9] La exhalación se realiza generalmente al entorno a presión ambiental, pero en casos especiales, como sistemas de respiración incorporados y sistemas de recuperación de gas , puede exhalarse a una presión significativamente menor, a veces en una ubicación remota, y puede requerir un regulador de contrapresión para hacer esto de manera segura. [10]
Los equipos de respiración con suministro de gas se pueden clasificar según el modo en que se suministra el gas al usuario. Existen varias combinaciones de opciones
El gas puede suministrarse de forma continua, en lo que se conoce como sistema de flujo constante, flujo continuo o flujo libre. El usuario inhala desde la corriente de gas fresco que pasa por la cara y exhala de nuevo en la misma corriente. La velocidad de suministro debe ser suficiente para que, a velocidades de trabajo razonablemente previsibles, el gas inhalado no incluya demasiado del gas exhalado anteriormente. Esto es simple, pero desperdicia el gas suministrado. [11] [12]
El gas puede suministrarse a demanda, cuando el usuario inhala, utilizando la caída de presión al inicio de la inhalación para controlar la apertura de una válvula de demanda, y se detiene automáticamente cuando no hay demanda. Esto es más conservador en el uso del gas, pero tiene un mayor trabajo respiratorio. Requiere una pieza facial que selle moderadamente bien al usuario, con un pequeño volumen interno para limitar el espacio muerto. [13] Algunos aparatos de respiración a demanda pueden cambiarse al modo de flujo continuo. [5]
Un aparato respiratorio de circuito abierto es cualquier aparato respiratorio que no recicla ninguno de los gases respirables y los descarga al entorno. [14]
El suministro puede clasificarse además en sistemas de presión positiva y negativa, en función de la presión que se mantenga cuando se detenga el flujo y de si la presión del gas respirable en el aparato desciende alguna vez por debajo de la presión ambiental. Los sistemas de circuito abierto sin mezcla durante el suministro son sencillos y el gas suministrado es constante y fiable. [5]
Tanto el suministro de flujo constante como el suministro a demanda también pueden proporcionar gas desde dos fuentes, una de ellas es la atmósfera ambiente, en lo que generalmente se conoce como suministro de oxígeno suplementario, que se utiliza con frecuencia para fines médicos donde el usuario corre riesgo de sufrir hipoxia médica, y en altitudes elevadas donde la presión parcial de oxígeno es naturalmente baja. [15]
Los equipos de respiración de circuito cerrado y semicerrado, también conocidos como rebreathers y extensores de gas , son aparatos de respiración que absorben el dióxido de carbono del aliento exhalado del usuario y le añaden oxígeno, lo que permite reciclar el oxígeno y el diluyente no utilizados (si está presente). Un sistema de rebreather se puede utilizar para cualquier aplicación de un equipo de respiración con suministro de gas. Puede ser más complejo que el circuito abierto si se debe controlar la mezcla y, para aplicaciones de corta duración, puede ser más pesado. Puede haber un mayor riesgo de incendio debido a la alta concentración de oxígeno. En otras aplicaciones, cuando se requiere una larga duración y un peso razonablemente ligero, puede permitir un gran ahorro de gas y ser mucho más simple o ligero que la opción de circuito abierto equivalente. Los sistemas de rebreather pueden ser de circuito cerrado o semicerrado, tener una configuración de trayectoria de flujo de péndulo o bucle , y el gas puede circular por la respiración del usuario a través de válvulas antirretorno (casi todas las unidades autónomas), por la energía del gas fresco inyectado (Dräger Modell 1915 "Bubikopf", DM20 y DM40, [16] y extensores de gas para casco de helio Mk V de la Marina de los EE. UU., [17] ), o por una entrada de energía externa (el oxígeno en un traje espacial circula mediante un ventilador eléctrico). [18] Cuando se alimentan con el esfuerzo respiratorio, las unidades de rebreather tendrán un trabajo respiratorio elevado, particularmente con altas densidades de gas a gran profundidad, lo que es un factor limitante para los rebreathers de buceo, incluso cuando el diluyente es helio. [19]
Los aparatos respiratorios también pueden clasificarse como autónomos, donde todo es transportado por el usuario, o alimentados remotamente, con una manguera para suministrar gas desde el panel de suministro y en algunos casos una manguera de retorno para el gas exhalado. [9]
Las aplicaciones suministradas remotamente incluyen:
Las aplicaciones autónomas incluyen:
La interfaz respiratoria del usuario, también conocida comúnmente como pieza facial, es el sistema de suministro mediante el cual el aparato respiratorio controla el flujo de gas respiratorio hacia y desde el usuario. La elección del tipo de interfaz y el ajuste pueden influir significativamente en la conveniencia, la eficacia, la comodidad y, a veces, la seguridad. Se utilizan varios tipos: [27]
La cánula nasal es relativamente discreta y se utiliza ampliamente para administrar oxígeno suplementario. La versión básica se utiliza para administrar oxígeno suplementario en flujo continuo a velocidades de entre 1 y 6 litros por minuto. Tiene dos puntas cortas que se ajustan a las fosas nasales para su administración y que están conectadas a un tubo común, que generalmente se engancha sobre las orejas para su sujeción. [28] La cánula de reservorio, más compleja , es un dispositivo de administración de oxígeno suplementario que conserva el oxígeno y que acumula oxígeno en flujo constante en un pequeño reservorio debajo de la nariz durante la exhalación y lo administra en un bolo al comienzo de la siguiente inhalación, lo que garantiza que la mayor parte llegue a las partes del pulmón en las que se produce el intercambio de gases y que se desperdicie poco en el espacio muerto. [29]
Una mascarilla nasal cubre la nariz y sella el labio superior, los lados de la nariz y el puente de la nariz. [27]
Una mascarilla nasal con almohadillas se cierra herméticamente sobre el borde de las fosas nasales. Se utiliza en pacientes estables con trastornos respiratorios del sueño. [27]
Una vía aérea artificial utiliza un dispositivo médico para proporcionar una vía aérea permeable. Esto requiere la intervención de una persona competente y puede ser supraglótica, infraglótica o colocada quirúrgicamente. Estas aplicaciones se utilizan principalmente en medicina de emergencia y cirugía. Los dispositivos de esta clase incluyen vías respiratorias con mascarilla laríngea , combitubos esofágicos-traqueales , tubos endotraqueales y tubos de traqueotomía . [30]
Una boquilla , generalmente sostenida en su lugar por un agarre de mordida y sellada por los labios, es común en equipos de buceo, esnórqueles y algunos tipos de aparatos de respiración de escape. [31] Una boquilla es simple y efectiva, con un espacio muerto mínimo y se sella de manera confiable sin necesidad de ajuste, pero el usuario debe sostenerla activamente en su lugar y puede causar fatiga de la mandíbula durante períodos prolongados. Se puede usar una correa de retención de la boquilla para reducir la fatiga de la mandíbula y el riesgo de perder el agarre de la boquilla en una emergencia. [32] Una boquilla solo permite respirar por la boca el gas administrado y puede ser necesario bloquear la nariz para evitar la derivación. Una boquilla dificulta o imposibilita el habla inteligible, y comer o beber requieren una remoción temporal.
La mascarilla bucal se coloca dentro de la boca, entre los dientes y los labios, con una guía para evitar que la lengua obstruya las vías respiratorias. No se utilizan con frecuencia. [27]
Una máscara respiratoria, también llamada pieza facial, es un componente que cubre la boca y la nariz, a veces también los ojos y otras partes de la cara, y puede sellarse contra la cara. Una máscara respiratoria suele ser eficaz, permite respirar por la boca y la nariz y, por lo general, se puede sellar adecuadamente sin esfuerzo por parte del usuario. Existe una amplia gama de diseños disponibles según la aplicación. Las desventajas son que el usuario no puede comer ni beber mientras la máscara está colocada, y algunos modelos pueden interferir con el habla, mientras que otros pueden tener un espacio muerto relativamente grande. Se distinguen tres configuraciones básicas según el área que cubren.
La máscara orinal, también llamada oro-nasal, oral-nasal o máscara de cuarto, cubre la boca y las fosas nasales y sella la parte frontal de la cara en el puente y los lados de la nariz y la boca y el mentón con poco espacio muerto. [27]
La máscara de media cara se extiende por debajo del mentón y la máscara de cara completa cubre los ojos, así como la nariz y la boca, y puede tener un espacio muerto tan grande que se proporciona una máscara urinaria interna para reducirlo. Una máscara de media cara para buceo que se usa en buceo autónomo y en apnea cubre los ojos y la nariz, y no es un aparato respiratorio.
Una máscara facial completa generalmente solo se utiliza cuando es necesario incluir los ojos en el espacio protegido y, a menudo, incluye una máscara urinaria interna para reducir el espacio muerto.
Una capucha de respiración es un tipo de interfaz respiratoria que cubre completamente la cabeza y el cuello, y opcionalmente los hombros o la parte superior del torso, [33] con una bolsa de ajuste holgado, que puede tener un sello en el cuello o ser relativamente ajustada al cuello o los hombros. Se utilizan en aparatos de respiración de escape de varios tipos ( capuchas de escape ), [34] y como ruta para oxígeno suplementario ( capuchas de oxígeno ). Las capuchas de respiración con visores de longitud completa se utilizan comúnmente con respiradores de aire suministrado de flujo libre para trabajos industriales como en talleres de pintura en aerosol, construcción de barcos y carpintería. [35]
Un casco respiratorio se define generalmente como una interfaz de usuario respiratoria rígida que cubre la cabeza y que también proporciona protección contra impactos y penetraciones. [33] En la terminología médica, un casco respiratorio es sinónimo de una capucha respiratoria y no necesita tener ninguna estructura protectora rígida. [36] [27]
Los aparatos de respiración se pueden utilizar en varios regímenes de presión: hiperbárico para buceo, túneles y trabajos en cajones , normobárico donde la atmósfera ambiental es irrespirable o se necesita oxígeno suplementario por razones médicas, e hipobárico en altitudes elevadas y en el espacio.
Los equipos de respiración para grandes altitudes se utilizan para actividades aeronáuticas y de montañismo sin presión (presión ambiental) donde el contenido de oxígeno de la atmósfera natural es insuficiente para mantener la actividad física, la conciencia o la vida, pero la presión atmosférica es suficiente como para que no se necesite un traje de presión.
En esta aplicación se han utilizado equipos de circuito abierto y de rebreather, en los que el equipo proporciona oxígeno puro u oxígeno suplementario. Las fugas menores en cualquier dirección generalmente solo afectan la eficiencia y la resistencia del gas, ya que el aire ambiente generalmente solo es hipóxico debido a la baja presión ambiental. [15]
Los aparatos de respiración se utilizan para rescate y escape de minas, extinción de incendios o para trabajar en atmósferas hipóxicas o tóxicas a presiones cercanas a la presión atmosférica normal . Estos pueden suministrar gas respirable a una ligera sobrepresión, también conocida como presión positiva , para evitar la contaminación por gas ambiental, ya que la fuga del equipo de respiración es generalmente menos dañina que respirar el gas ambiental.
Esta subclase incluye tanto unidades autónomas como unidades suministradas por línea aérea, y las unidades autónomas pueden utilizar tecnología de rebreather para extender la autonomía del gas.
Un equipo de respiración diseñado para su uso en entornos hiperbáricos no debe suministrar gas con una concentración tóxica de oxígeno . [31] La mayoría de los equipos de respiración para uso hiperbárico son aparatos de respiración subacuáticos a presión ambiente, pero pueden ser necesarios en un túnel o cajón presurizado debido a la contaminación por materiales peligrosos. Las fugas menores al medio ambiente suelen tener poca importancia.
Los sistemas de circuito abierto y cerrado, autónomos y con suministro remoto son de uso común, pero la elección de la composición del gas se complica por la posibilidad de toxicidad por oxígeno y los requisitos de descompresión. Las posibilidades de narcosis por nitrógeno y la densidad excesiva del gas que causan un trabajo respiratorio inaceptablemente alto hacen que el uso de helio como diluyente sea necesario para su uso a mayores profundidades. La gran variedad de presiones posibles complica la descompresión necesaria para evitar la enfermedad por descompresión , y el uso de mezclas especiales de gases para acelerar la descompresión es bastante común. Esto requiere que el buzo use varias mezclas a diferentes profundidades que podrían ser tóxicas si se usan a la profundidad incorrecta, o que se use un aparato de circuito cerrado que proporcione un control y monitoreo confiables de la mezcla de gases. Como un mal funcionamiento que interrumpa el suministro de gas respirable a un buzo en profundidad podría ser rápidamente fatal, se puede llevar un aparato de respiración de emergencia además del suministro de gas principal. [9]
En situaciones extremas de presión ambiental, el usuario debe estar aislado del entorno para sobrevivir, como en los trajes de buceo de una sola atmósfera , donde el ocupante se mantiene a la presión atmosférica de la superficie, aislado de la alta presión ambiental del entorno submarino profundo, y los trajes de presión y los trajes espaciales donde el interior del traje está presurizado por encima de la presión ambiental externa. En estas aplicaciones, es habitual utilizar sistemas de rebreather de oxígeno, ya que son relativamente seguros, simples y eficientes en comparación con el circuito abierto, y no afectan inherentemente a la presión interna del traje. También se ha utilizado aire líquido para los trajes espaciales, [37] lo que implica una presión interna del traje cercana a la presión atmosférica normal y un circuito abierto. La fuga hacia o desde el entorno exterior generalmente indica una falla del sistema y una emergencia. [38]
Los sistemas de presión positiva y negativa pueden tener significados ligeramente diferentes en el contexto de los aparatos respiratorios dependiendo de si el contexto son aplicaciones médicas o no médicas.
En este contexto, estos términos se refieren a la protección del circuito respiratorio contra fugas de contaminantes.
La presión positiva significa que el área alrededor de la boca o la nariz dentro de la máscara permanece ligeramente más alta que la presión ambiental fuera de la máscara del aparato de respiración en todo momento mientras está en uso, de modo que el gas o líquido ambiental no puede filtrarse en el espacio de respiración. [5] Esto también tiene el efecto fisiológico de ayudar a la inhalación y resistir la exhalación, pero no debería afectar el trabajo respiratorio total.
Presión negativa significa que la presión dentro de la máscara es menor que la presión ambiental fuera de la máscara en algún momento durante la inhalación, y se requiere un buen sellado en la máscara para evitar fugas del gas o líquido ambiental en el espacio de respiración. [5] Esta compensación de presión suele ser constante durante todas o varias respiraciones, según la causa, y tiene el efecto opuesto de ayudar a la exhalación y resistir la inhalación, también sin efecto neto en el trabajo respiratorio total.
La presión ambiental bajo el agua varía con la profundidad, y la actitud del buceador en el agua puede afectar la variación de presión entre los pulmones y el gas suministrado en la boquilla hasta en aproximadamente 250 mm de agua (25 mb), pero generalmente menos, lo que puede ser positivo o negativo dependiendo de la posición relativa de los pulmones con respecto a la válvula de demanda, la válvula de escape de un casco de flujo libre o el contrapulmón de un rebreather. También se denomina carga pulmonar estática positiva y carga pulmonar estática negativa [19]
En este contexto, los términos se refieren al mecanismo de inducir la inhalación en una persona que no respira espontáneamente.
La ventilación con presión positiva se produce cuando el gas respiratorio se suministra a una presión superior a la ambiental y se insufla en las vías respiratorias, lo que infla los pulmones. Este sistema lo utilizan la mayoría de los respiradores mecánicos y reanimadores.
La ventilación con presión negativa se produce cuando el torso del paciente se somete a una presión externa inferior a la presión ambiental y el aire a presión ambiental es aspirado hacia los pulmones por la diferencia de presión inducida por la expansión del tórax. El equipo se conoce tradicionalmente como pulmón de acero .
Los aparatos de respiración se pueden utilizar para proporcionar gas adecuado para respirar en una variedad de aplicaciones donde el entorno ambiental no proporciona gas respirable adecuado:
El equipo de respiración subacuático es cualquier aparato de respiración diseñado para permitir al usuario respirar bajo el agua, e incluye equipos de buceo de circuito abierto, rebreathers de buceo y equipos de buceo con suministro desde la superficie, y sistemas de atmósfera única tanto a presión ambiental como a presión controlada. [9]
Las principales categorías de aparatos de respiración subacuáticos a presión ambiental son:
También se pueden identificar otros dos tipos:
Se debe suministrar gas respirable para trabajar en atmósferas normobáricas irrespirables, que pueden ser tóxicas, irritantes, narcóticas o hipóxicas, y pueden incluir lucha contra incendios, control de daños, exploración y trabajos de rescate, y en entornos normobáricos donde se debe evitar la contaminación de la persona (entornos peligrosos). Se pueden utilizar sistemas de circuito abierto y de rebreather, y se utilizan sistemas autónomos (SCBA) y de suministro remoto según el requisito de movilidad. El equipo de presión positiva o negativa puede ser apropiado, según lo que se deba proteger de la contaminación. [5]
Un respirador con suministro de aire (SAR), también llamado respirador de línea aérea, es un tipo de equipo de protección respiratoria que se utiliza cuando la atmósfera ambiental no es adecuada para respirar directamente o después de filtrarse en el usuario. [12] [39] El equipo puede proporcionar aire a demanda, a presión positiva, o puede suministrar un flujo constante a una tasa mayor que la tasa de demanda máxima del usuario. [40]
Dependiendo de la naturaleza de la atmósfera peligrosa, el usuario puede necesitar usar equipo de protección personal para aislar todo el cuerpo del entorno ( traje de materiales peligrosos ).
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Los equipos de respiración de escape son una clase de equipos de respiración autónomos que suministran atmósfera o purifican el aire para uso en emergencias, diseñados para permitir al usuario pasar a través de áreas sin atmósfera respirable a un lugar de relativa seguridad donde el aire ambiente es seguro para respirar. Estos son sistemas de presión ambiental e incluyen:
Los primeros equipos de escape solían ser rebreathers y se utilizaban normalmente para escapar de submarinos que no podían salir a la superficie. Los equipos de escape también se utilizan en tierra, en la industria minera y por parte de los militares para escapar de tanques.
El pequeño dispositivo de respiración de circuito abierto para tripulaciones de helicópteros tiene el mismo propósito de proporcionar gas respirable para escapar de un helicóptero hundido.
Otro tipo de equipo de respiración de emergencia, que se suministra a distancia, son los sistemas de respiración incorporados en submarinos y cámaras hiperbáricas.
Un sistema de respiración incorporado es una fuente de gas respirable instalada en un espacio confinado donde puede ser necesaria una alternativa al gas ambiental para un tratamiento médico, un uso de emergencia o para minimizar un peligro. Se encuentran en cámaras de buceo , cámaras de tratamiento hiperbárico y submarinos .
El uso en cámaras de tratamiento hiperbárico es generalmente para suministrar un gas de tratamiento rico en oxígeno que, si se utiliza como atmósfera de la cámara, constituiría un riesgo de incendio inaceptable . [41] [42] En esta aplicación, el gas de escape se ventila fuera de la cámara. [41] En las cámaras de buceo de saturación y las cámaras de descompresión de superficie , la aplicación es similar, pero una función adicional es el suministro de gas respirable en caso de contaminación tóxica de la atmósfera de la cámara. [41] Esta función no requiere ventilación externa, pero normalmente se utiliza el mismo equipo para el suministro de gases enriquecidos con oxígeno, por lo que generalmente se ventilan al exterior de forma predeterminada.
En los submarinos, la función es suministrar un gas respirable en caso de emergencia, que puede ser la contaminación de la atmósfera interna ambiental o una inundación. En esta aplicación, la ventilación hacia el interior es aceptable y, por lo general, la única opción viable, ya que el exterior suele estar a una presión más alta que el interior y la ventilación externa no es posible por medios pasivos.
El oxígeno de emergencia que se suministra a los pasajeros de los aviones comerciales que han perdido la presión de la cabina es también una forma básica de sistema de respiración integrado, en el que el oxígeno se genera y se suministra como un flujo constante durante un período limitado, que debería ser suficiente para permitir que el avión descienda de forma segura a una altitud en la que el contenido de oxígeno en el aire ambiente sea suficiente para mantener la conciencia. Estos sistemas ventilan hacia el interior.
Las capuchas de humo y otros respiradores de escape se utilizan en muchos entornos industriales donde pueden ser necesarios para evacuar un edificio en caso de incendio u otro incidente que pueda comprometer la calidad del aire ambiente, pero es probable que quede suficiente oxígeno para mantener la actividad necesaria.
Los aparatos de respiración de emergencia y de escape pueden proporcionar aire ambiente purificado cuando contenga suficiente oxígeno y sea razonablemente posible purificarlo, o pueden suministrar gas respirable almacenado que se sepa que es respirable.
El oxígeno suplementario es oxígeno adicional al disponible en el aire atmosférico a la presión ambiente. Esto puede ser necesario o deseable en entornos hipobáricos o para fines médicos en cualquier régimen de presión. Con el oxígeno suplementario, el caudal suele estar estipulado, pero es la presión parcial en los alvéolos lo que es importante para lograr el resultado deseado, y eso depende en gran medida del sistema de suministro del aparato respiratorio y de la presión ambiente. Los sistemas que proporcionan un caudal constante de oxígeno de circuito abierto en la nariz o la boca desperdician gran parte del gas en el espacio muerto y durante la exhalación.
Un rebreather de circuito cerrado es muy eficaz para conservar el oxígeno almacenado, pero no utiliza oxígeno ambiental, por lo que su eficacia para minimizar el uso de oxígeno almacenado depende de dónde se utilice. Es más aplicable cuando no es posible utilizar gas ambiental enriquecido, ya sea porque no hay ninguno (bajo el agua y en el espacio), porque su presión es demasiado baja (altitud extrema), porque no contiene una presión parcial útil de oxígeno o porque los contaminantes hacen que el riesgo sea inaceptable.
El suministro de oxígeno suplementario en circuito abierto es más eficaz si se realiza en un punto del ciclo respiratorio en el que se inhalará hacia los alvéolos, donde se produce la transferencia de gases. Esto ocurre durante la primera parte de la inhalación. El oxígeno suministrado más tarde en el ciclo se inhalará hacia el espacio muerto fisiológico , donde no tiene ninguna finalidad útil ya que no puede difundirse hacia la sangre. El oxígeno suministrado durante las etapas del ciclo respiratorio en las que no se inhala también se desperdicia, a menos que se almacene temporalmente. [43]
Un caudal constante y continuo suministrado a la boca y la nariz utiliza un regulador simple, pero es ineficiente ya que un alto porcentaje del gas suministrado no llega a los alvéolos, y más de la mitad no se inhala en absoluto. Un sistema que acumula oxígeno de flujo libre durante las etapas de reposo y exhalación ( cánulas de depósito , máscaras con rebreather parcial y máscaras sin rebreather ) hace que una parte mayor del oxígeno esté disponible para la inhalación, y se inhalará de forma selectiva durante la parte inicial de la inhalación, que llega más lejos en los pulmones, y también puede recuperar el volumen inhalado en el espacio muerto para reutilizarlo en la siguiente respiración si puede acomodarse en la bolsa de depósito. El caudal debe coincidir con el volumen de almacenamiento de la interfaz de respiración y el volumen corriente y la frecuencia respiratoria del usuario para una mejor eficiencia, y el volumen corriente y la frecuencia respiratoria pueden variar considerablemente en un período corto con los cambios en el esfuerzo, por lo que estos métodos no son muy eficaces para un usuario activo.
La válvula de suministro por demanda evita el desperdicio de oxígeno cuando el usuario no está inhalando activamente y, cuando se combina con un orificio de dilución adecuadamente calibrado, puede conservar una gran proporción del oxígeno almacenado, pero aún desperdicia oxígeno para llenar los espacios muertos anatómicos y mecánicos, y requiere cierto esfuerzo físico por parte del usuario.
Desde la década de 1980, existen dispositivos que conservan el oxígeno almacenado al suministrarlo durante la etapa del ciclo respiratorio en la que se utiliza de manera más eficaz. Esto tiene el efecto de que el oxígeno almacenado dure más tiempo o de que sea posible utilizar un sistema de suministro de oxígeno portátil más pequeño y, por lo tanto, más ligero. Esta clase de dispositivo también se puede utilizar con concentradores de oxígeno portátiles, lo que los hace más eficientes. [43]
Un dispositivo de conservación de oxígeno por pulsos (o dispositivo de pulsos a demanda) detecta el inicio de la inhalación y proporciona un bolo dosificado que, si se adapta correctamente a los requisitos, será suficiente y se inhalará de manera eficaz en los alvéolos. Estos sistemas pueden controlarse neumática o eléctricamente. [43]
Los sistemas de demanda adaptativa son un avance en la administración de demanda por pulsos. Son dispositivos que ajustan automáticamente el volumen del bolo pulsado para adaptarse al nivel de actividad del usuario. Esta respuesta adaptativa tiene como objetivo reducir las respuestas de desaturación causadas por la variación de la frecuencia de ejercicio. [43] El gas exhalado de estos dispositivos se descarga al medio ambiente y se pierde oxígeno, por lo que son menos eficientes en cuanto a gas que los rebreathers de circuito cerrado, pero no tienen un depurador de dióxido de carbono ni contrapulmones, lo que supone un ahorro de peso y volumen, y hacen uso del oxígeno disponible en el aire ambiente, por lo que su eficiencia es mejor a altitudes más bajas.
Los aparatos de respiración para montañismo proporcionan oxígeno en una concentración mayor que la disponible en el aire atmosférico en un entorno naturalmente hipóxico. Respirar oxígeno puro da como resultado una presión parcial elevada de oxígeno en la sangre: un escalador que respira oxígeno puro en la cumbre del monte Everest tiene una presión parcial de oxígeno arterial mayor que la que respira aire a nivel del mar. Esto se traduce en una mayor capacidad de realizar un mayor esfuerzo físico en la altitud. El equipo debe ser ligero y fiable en condiciones de frío intenso, lo que incluye evitar que se ahogue con la escarcha depositada por el gas exhalado, que está saturado de vapor de agua a la temperatura corporal. [44]
Para el montañismo a grandes altitudes, donde el usuario tiene que llevar el oxígeno almacenado, es deseable maximizar la resistencia del equipo mediante un uso eficiente del gas. [15] Los sistemas de suministro teóricamente disponibles son: un sistema de flujo constante sin depósito, que es simple y confiable, pero extremadamente derrochador, un sistema de flujo constante con depósito, que cuando se adapta a la demanda del usuario es más eficiente que el flujo constante simple, y también es relativamente simple y confiable, un sistema de válvula de demanda, que sigue automáticamente la demanda del usuario, pero también desperdicia una parte significativa del gas inhalado en el espacio muerto, un sistema de demanda de dosis pulsada, que desperdicia menos gas en el espacio muerto, pero se basa en un sistema de control relativamente complejo que introduce problemas de confiabilidad, o un sistema de circuito cerrado, que es muy eficiente, pero requiere un depurador de dióxido de carbono. La reacción de absorción exotérmica de dióxido de carbono de un rebreather ayuda a evitar que el contenido del depurador se congele mientras está en uso y ayuda a reducir la pérdida de calor del usuario, pero es voluminoso y pesado, y es sensible a la congelación cuando no se usa constantemente. [26] Tanto el oxígeno gaseoso comprimido como el generado químicamente se han utilizado en sistemas experimentales de montañismo con oxígeno en circuito cerrado, pero en el campo se ha utilizado habitualmente un flujo constante en circuito abierto utilizando una máscara de depósito, aunque es relativamente derrochador, ya que el equipo es fiable. [45] [15]
Aunque existe una similitud considerable en las condiciones básicas en las que se utilizan los aparatos respiratorios para aviación y montañismo, existen diferencias suficientes para que el uso directo de los equipos resulte generalmente impracticable. Una de las principales consideraciones es que, a diferencia del aviador, el montañista no puede descender rápidamente a una altitud segura si el equipo falla, por lo que debe ser fiable. Otra es que el montañista debe llevar personalmente el aparato respiratorio, por lo que la ventaja obtenida al respirar oxígeno suplementario debe superar la desventaja de llevar el volumen y el peso adicionales del equipo. Otros requisitos son que el trabajo adicional de respiración debe ser bajo, el equipo debe funcionar a bajas temperaturas y es deseable la conservación del calor y la humedad. El rango de altitud para el montañismo también es limitado, no hay requisitos de presurización. [26]
La oxigenoterapia es el uso de oxígeno suplementario como terapia médica . [46] Las indicaciones agudas para la terapia incluyen hipoxemia (niveles bajos de oxígeno en sangre), toxicidad por monóxido de carbono , cefalea en racimos y enfermedad por descompresión . También se puede administrar de forma profiláctica para mantener los niveles de oxígeno en sangre durante la inducción de la anestesia . [47] La oxigenoterapia suele ser útil en la hipoxemia crónica causada por afecciones como EPOC grave o fibrosis quística . [48] [46] Las presiones parciales administradas varían desde caudales bajos que dan ligeros aumentos sobre el aire ambiente hasta 2,8 bar absolutos utilizados en el tratamiento con oxígeno hiperbárico de la enfermedad por descompresión y algunas otras indicaciones. El oxígeno se puede administrar a pacientes que respiran espontáneamente a través de una cánula nasal , mascarilla facial , vía aérea artificial o mediante una máscara a demanda del sistema de respiración incorporado o una campana de oxígeno en una cámara hiperbárica . [49] [50] La administración puede ser mediante flujo continuo, mediante una mascarilla con bolsa reservorio , a demanda o a demanda de pulso . [43]
A los pacientes que no pueden respirar lo suficiente por sí mismos se les suministra gas respirador mediante un respirador o un resucitador. [51]
Una máquina de anestesia ( inglés británico ) o máquina de anestesia ( inglés americano ) es un dispositivo médico utilizado para generar y mezclar un flujo de gas fresco de gases médicos y agentes anestésicos inhalatorios con el fin de inducir y mantener la anestesia . [52]
El aparato de anestesia se utiliza habitualmente junto con un respirador mecánico , un sistema de respiración , un equipo de succión y dispositivos de monitorización del paciente ; en sentido estricto, el término "máquina de anestesia" se refiere únicamente al componente que genera el flujo de gas, pero las máquinas modernas suelen integrar todos estos dispositivos en una unidad independiente combinada, a la que se denomina coloquialmente máquina de anestesia por razones de simplicidad. En el mundo desarrollado, el tipo de aparato que se utiliza con más frecuencia es el de flujo continuo , que está diseñado para proporcionar un suministro de gases médicos mezclados con una concentración precisa de vapor anestésico y para suministrarlo de forma continua al paciente a una presión y un flujo seguros. Esto es distinto de los aparatos de anestesia de flujo intermitente , que proporcionan un flujo de gas solo a demanda cuando lo activa la propia inspiración del paciente.
La ventilación mecánica es el suministro de gas respirable al usuario por medio del respirador o reanimador, cuando el usuario no puede proporcionar las fuerzas impulsoras para inducir el flujo de gas. Esta ventilación artificial es una característica de la reanimación y puede ser proporcionada por respiradores médicos cuando sea necesario. Se pueden distinguir dos tipos básicos de ventilación mecánica por el mecanismo de limitación. Algunos son controlados por presión, en los que el suministro se detiene cuando se alcanza una presión límite, y otros son controlados por volumen, en los que se suministra un volumen establecido para cada respiración. Ambos métodos tienen limitaciones y pueden funcionar de manera subóptima en algunas circunstancias. [51]
Un respirador es un tipo de equipo que proporciona ventilación mecánica al hacer entrar y salir aire respirable de los pulmones para administrar respiraciones a un paciente que no puede respirar físicamente o que respira de manera insuficiente. Los respiradores son máquinas controladas por microprocesadores computarizados , pero los pacientes también pueden ser ventilados con una simple mascarilla con bolsa y válvula operada manualmente . Los respiradores se utilizan principalmente en medicina de cuidados intensivos , atención domiciliaria y medicina de emergencia (como unidades independientes) y en anestesiología (como un componente de una máquina de anestesia ).
Un reanimador es un dispositivo que utiliza presión positiva para inflar los pulmones de una persona inconsciente que no respira , con el fin de mantenerla oxigenada y con vida. [53]
Existe una superposición considerable entre el respirador y el reanimador . La diferencia puede estar principalmente en la forma en que se utiliza el equipo.
Existen tres modos de ventilación mecánica, que son las formas en que un respirador médico administra una respiración: en el modo de control, cada respiración se administra mecánicamente, pero puede ser activada por un mecanismo de sincronización o por el esfuerzo del paciente. Estas respiraciones pueden estar controladas por volumen o presión. En el modo asistido o espontáneo, cada respiración es activada por el paciente y asistida por el respirador. En el modo combinado, hay una combinación de respiraciones controladas y asistidas, y puede haber una combinación de respiraciones controladas por volumen y asistidas o controladas por presión. [54]
Los aparatos de respiración para grandes altitudes se utilizan en la aviación como equipo estándar en aeronaves no presurizadas capaces de volar a gran altitud, como equipo de emergencia en aeronaves no presurizadas y en montañismo a gran altitud.
A gran altitud , de 1.500 a 3.500 metros (4.900 a 11.500 pies), la presión parcial de oxígeno reducida tiene efectos fisiológicos, como una reducción del rendimiento físico y un aumento de la frecuencia respiratoria. La saturación arterial de oxígeno sigue siendo, por lo general, superior al 90 % en personas sanas, pero la P O 2 arterial está reducida. [55]
A grandes altitudes , de 3.500 a 5.500 metros (11.500 a 18.000 pies), la saturación de oxígeno arterial cae por debajo del 90% y la P O 2 arterial se reduce hasta el punto de que puede producirse una hipoxemia extrema durante el ejercicio y el sueño, y si se produce a gran altitud, un edema pulmonar . En este rango es común el mal de altura grave. [55]
En altitudes extremas , por encima de los 5.500 metros (18.000 pies), se puede esperar una hipoxemia, hipocapnia y alcalosis significativas , con un deterioro progresivo de la función fisiológica que supera la aclimatación. En consecuencia, no hay asentamientos humanos en este rango de altitud. [55]
En la región que va desde el nivel del mar hasta alrededor de 3.000 m (10.000 pies), conocida como la zona fisiológicamente eficiente , los niveles de oxígeno suelen ser lo suficientemente altos como para que los humanos puedan funcionar sin oxígeno suplementario y la enfermedad por descompresión de altitud es rara.
La zona de deficiencia fisiológica se extiende desde los 3.600 m (12.000 pies) hasta aproximadamente los 15.000 m (50.000 pies). En esta zona hay un mayor riesgo de hipoxia , disbarismo por gas atrapado (donde el gas atrapado en el cuerpo se expande) y disbarismo por gas evolucionado (donde los gases disueltos como el nitrógeno pueden formarse en los tejidos, es decir, enfermedad por descompresión ). [56] Por encima de aproximadamente 4.300 m (14.000 pies) se requiere una mezcla de respiración rica en oxígeno para aproximarse al oxígeno disponible en la atmósfera inferior, [23] mientras que por encima de 12.000 m (40.000 pies) el oxígeno debe proporcionarse bajo presión positiva. Por encima de 15.000 m (49.000 pies), la respiración no es posible porque la presión a la que los pulmones excretan dióxido de carbono (aproximadamente 87 mmHg) excede la presión del aire exterior. [ cita requerida ] Por encima de los 19.000 m (62.000 pies), conocido como el límite de Armstrong , los fluidos expuestos en la garganta y los pulmones se evaporarán a temperatura corporal normal, y se necesitarán trajes de presión. Generalmente, se utiliza oxígeno al 100% para mantener una altitud equivalente de 3.000 m (10.000 pies).
Las personas pueden aclimatarse a una altitud de 5.200 a 5.500 metros (17.000 a 18.000 pies) si permanecen a gran altitud durante el tiempo suficiente, pero para el trabajo de rescate a gran altitud, los equipos de rescate deben desplegarse rápidamente y no se dispone del tiempo necesario para aclimatarse, lo que hace necesario el uso de equipos de respiración con oxígeno por encima de aproximadamente 3.700 metros (12.000 pies). [15]
A una altitud de 10.000 metros (34.000 pies) se puede mantener una presión parcial de oxígeno equivalente al nivel del mar con oxígeno al 100 %. Por encima de los 12.000 metros (40.000 pies), la respiración con presión positiva con oxígeno al 100 % es esencial, ya que sin presión positiva, incluso exposiciones muy breves a altitudes superiores a los 13.000 metros (43.000 pies) provocan pérdida de conciencia. [57] Se pueden utilizar dispositivos de conservación de oxígeno con aparatos de respiración de circuito abierto para mejorar la eficiencia del uso del gas a altitudes más bajas donde la respiración a presión ambiental es viable.
A altitudes suficientemente elevadas, la presión parcial de oxígeno en el aire es insuficiente para permitir un trabajo útil y mantener la conciencia, incluso después de la aclimatación, y a altitudes aún mayores no puede permitir la vida humana. En altitudes en las que el problema es la hipoxia, una solución viable es respirar gas con un mayor contenido de oxígeno a presión ambiente. El oxígeno suplementario suficiente para proporcionar una altitud equivalente a la de una cabina de avión presurizada (unos 8000 pies) es suficiente para muchos propósitos, pero concentraciones más altas, como el equivalente al nivel del mar (P O 2 de unos 0,21 bar), pueden permitir una mayor capacidad de trabajo aeróbico. En contrapartida, existe la necesidad de conservar el oxígeno y minimizar el peso que lleva el usuario del aparato respiratorio.
Cuando el usuario debe llevar consigo el suministro de oxígeno suplementario y también realizar un trabajo importante durante un período bastante largo, como en el montañismo y el trabajo de rescate, la eficiencia del uso del oxígeno y la confiabilidad del equipo de respiración son más importantes, y existe una compensación de estas características con el peso que debe transportarse.
La cantidad de oxígeno suplementario necesaria para llevar la presión parcial inhalada al equivalente al nivel del mar, o a cualquier otro valor fijo mayor que el de la atmósfera ambiente, es una función de la altitud y aumenta con el aumento de la altitud en proporción directa a la caída de presión. La cantidad de oxígeno suplementario realmente utilizada también es proporcional al volumen respiratorio por minuto , que depende del nivel de esfuerzo.
Cuando no hay límite en el uso de energía y el trabajo se debe realizar en una ubicación fija, los concentradores de oxígeno pueden ser una solución eficaz. [6] Un concentrador de oxígeno es un dispositivo que concentra el oxígeno de un suministro de gas (normalmente aire ambiente) eliminando selectivamente el nitrógeno para suministrar una corriente de gas producto enriquecida con oxígeno. También se utilizan industrialmente y como dispositivos médicos para la oxigenoterapia . [58] Dos métodos de uso común son la adsorción por oscilación de presión y la separación de gases por membrana . Son más eficientes cuando el oxígeno suplementario no necesita estar en un alto porcentaje.
Los concentradores de oxígeno por adsorción por oscilación de presión utilizan un tamiz molecular para adsorber gases y funcionan según el principio de adsorción rápida por oscilación de presión del nitrógeno atmosférico sobre minerales de zeolita a alta presión. Por lo tanto, este tipo de sistema de adsorción es funcionalmente un depurador de nitrógeno, que deja pasar los demás gases atmosféricos, y el oxígeno es el gas principal restante. [59] La separación de gases a través de una membrana también es un proceso impulsado por la presión, donde la fuerza impulsora es la diferencia de presión entre la entrada de la materia prima y la salida del producto. La membrana utilizada en el proceso es una capa generalmente no porosa, por lo que no habrá una fuga grave de gas a través de la membrana. El rendimiento de la membrana depende de la permeabilidad y la selectividad. La permeabilidad se ve afectada por el tamaño del penetrante. Las moléculas de gas más grandes tienen un coeficiente de difusión más bajo. El equipo de separación de gases por membrana normalmente bombea gas al módulo de membrana y los gases objetivo se separan en función de la diferencia de difusividad y solubilidad. [60] El gas del producto se puede entregar directamente al usuario a través de un aparato de respiración adecuado.
Los concentradores de oxígeno portátiles de dosis pulsada (también llamados de flujo intermitente o a demanda) son las unidades más pequeñas, que pueden pesar tan solo 2,3 kilogramos (5 libras). Su pequeño tamaño permite que el usuario desperdicie menos energía obtenida del tratamiento al transportarlos. La unidad administra un volumen establecido (bolo) de aire enriquecido con oxígeno al comienzo de cada respiración, que es la parte de la respiración con más probabilidades de llegar a las regiones de intercambio de gases del pulmón más allá del espacio muerto fisiológico. Su capacidad para hacer un uso eficiente del oxígeno es clave para mantener las unidades compactas. [61]
En un sistema de circuito cerrado, todo el oxígeno no utilizado se retiene y se vuelve a respirar, por lo que la utilización es cercana al 100%, con algunas pérdidas posibles debido a la expansión al aumentar la altitud y a fugas incidentales del circuito de respiración.
Existe un riesgo de toxicidad pulmonar por oxígeno si la presión del oxígeno supera aproximadamente 0,5 bar durante períodos prolongados, lo que podría suceder en altitudes inferiores a 5500 m, donde la presión atmosférica es aproximadamente la mitad del valor a nivel del mar. [31]
Un rebreather de oxígeno de circuito cerrado es el más eficiente en términos de uso de oxígeno, pero es relativamente voluminoso y requiere el uso de un absorbente de dióxido de carbono, que debe ser suficiente para el suministro de oxígeno o debe reemplazarse periódicamente. Si el suministro de oxígeno falla, el gas del circuito puede volverse más hipóxico que la atmósfera ambiental si el circuito no se purgó adecuadamente o si se contamina con aire ambiental. En ausencia de monitoreo de oxígeno, el usuario puede no notar la reducción en la concentración de oxígeno. [15]
Tom Bourdillon y Charles Evans probaron un sistema de oxígeno de circuito cerrado durante la expedición británica de 1953 al Monte Everest. [15]
El regulador de demanda de diluyente fue desarrollado y ampliamente utilizado para vuelos a gran altitud durante la Segunda Guerra Mundial. Un regulador de demanda de diluyente aspira aire ambiente hacia la máscara a través de un orificio en el regulador, mientras que al mismo tiempo se alimenta con oxígeno puro a través de una válvula de demanda en el regulador. Para uso aeronáutico, el tamaño del orificio de aire ambiente está controlado por un operador de válvula aneroide y es directamente proporcional a la presión atmosférica. A medida que aumenta la altitud, la presión disminuye y el orificio se hace más pequeño, por lo que el usuario recibe una mayor proporción de oxígeno y, cuando está correctamente calibrado, la presión parcial de oxígeno en la mezcla permanece bastante constante en un valor similar a los 0,21 bares a nivel del mar. Este sistema hace un uso eficiente de una combinación de oxígeno ambiental y almacenado. [15] La función del operador de válvula aneroide se puede sustituir para uso terrestre por una perilla selectora de orificio operada manualmente más simple, más liviana y más resistente, que brinda un rango escalonado de concentraciones que es más ligero, más confiable, un poco menos eficiente y requiere una selección apropiada por parte del usuario. También permite al usuario ajustar manualmente la mezcla para que se adapte a sus necesidades personales. Como se selecciona manualmente, es menos adecuado para volar y más adecuado para peatones que no cambiarán de altitud rápidamente. [15] Los caudales a través del orificio y el regulador son sensibles al caudal de inhalación y pueden diseñarse para proporcionar una presión parcial de oxígeno algo más alta a caudales de inhalación más altos, lo que ayuda a compensar un mayor esfuerzo. [15]
Esta es la zona en la que el oxígeno al 100 % a presión ambiente es insuficiente y se requiere algún tipo de presurización para proporcionar una presión de oxígeno inhalatorio viable. Las opciones son la presurización parcial y la presurización total.
Un traje presurizado es un traje de protección que usan los pilotos que vuelan a gran altitud y que pueden volar a altitudes donde la presión del aire es demasiado baja para que una persona desprotegida sobreviva, incluso respirando oxígeno puro a presión positiva . Estos trajes pueden ser de presión total (por ejemplo, un traje espacial ) o de presión parcial (como los que usan las tripulaciones aéreas ). Los trajes de presión parcial funcionan proporcionando una contrapresión mecánica para ayudar a respirar a gran altitud.
Un traje espacial es una prenda que se usa para mantener con vida a un ser humano en el duro entorno del espacio exterior , principalmente como protección contra el vacío y las temperaturas extremas. El gas respirable es oxígeno puro, que permite la presión más baja del traje. Los trajes espaciales se usan a menudo dentro de las naves espaciales como medida de seguridad en caso de pérdida de presión en la cabina , y son esenciales para la actividad extravehicular (EVA). Los trajes espaciales modernos complementan la prenda de presión básica con un sistema complejo de equipos y sistemas ambientales diseñados para mantener cómodo al usuario y minimizar el esfuerzo necesario para doblar las extremidades, resistiendo la tendencia natural de una prenda de presión blanda a endurecerse contra el vacío. Se puede utilizar un suministro de oxígeno autónomo y un sistema de control ambiental para permitir una mayor libertad de movimiento, independientemente de la nave espacial. [21]
Existen tres tipos de trajes espaciales para diferentes propósitos: IVA (actividad intravehicular), EVA (actividad extravehicular) e IEVA (actividad intra/extravehicular). Los trajes IVA están pensados para usarse dentro de una nave espacial presurizada y, por lo tanto, son más ligeros y cómodos. Los trajes IEVA están pensados para usarse dentro y fuera de la nave espacial, como el traje Gemini G4C . Incluyen más protección contra las duras condiciones del espacio, como protección contra micrometeoroides y cambios extremos de temperatura. Los trajes EVA, como el EMU , se usan fuera de la nave espacial, ya sea para exploración planetaria o caminatas espaciales. Deben proteger al usuario contra todas las condiciones del espacio, así como proporcionar movilidad y funcionalidad. [21]
Los aparatos de respiración se utilizan habitualmente como equipo de protección personal y el usuario debería estar más seguro al utilizarlos que sin ellos en el mismo entorno si fuera necesario, pero existen peligros asociados a su uso. Algunos son específicos del aparato y otros son más generales. Los peligros genéricos más obvios son la pérdida del suministro de gas, la contaminación del suministro de gas y el suministro inadecuado de gas. Las consecuencias pueden incluir hipoxia, hiperoxia, hipercapnia y envenenamiento o infección por contaminación del gas respirable debido a fugas. Cuando se proporcionan altas concentraciones de oxígeno, puede haber peligro de incendio; cuando se utiliza almacenamiento de gas a alta presión, existen peligros asociados con el equipo de alta presión, y cuando se utiliza oxígeno líquido, existen peligros de frío extremo. [62]
Los métodos habituales de gestión de riesgos incluyen normas de diseño, control de calidad durante la fabricación, pruebas y certificación de equipos, capacitación adecuada de los operadores, reglamentación de uso, según corresponda al equipo específico y las situaciones en las que se utiliza, y la selección correcta de equipos para la situación. Para algunos equipos, se requiere un mantenimiento adecuado y una inspección y prueba previas al uso.
Los aparatos respiratorios de varios tipos pueden afectar la capacidad de trabajo físico del usuario si generan resistencia respiratoria adicional o espacio muerto debido al peso que debe transportarse. Los efectos son cambios en los patrones respiratorios, hipoventilación y la retención de dióxido de carbono asociada debido al aumento del trabajo respiratorio . Estos efectos son más evidentes durante el trabajo físico pesado y se reduce la capacidad máxima de trabajo. [63]
Los factores humanos en el diseño de aparatos respiratorios son la influencia de la interacción entre el usuario y el equipo en el diseño del equipo. El usuario de un aparato respiratorio depende del equipo para mantenerse vivo o saludable, con una comodidad razonable y para realizar las tareas requeridas durante el uso del equipo. El diseño del equipo puede influir en gran medida en su eficacia para realizar las funciones deseadas. Debe ser cómodo de usar y no causar lesiones por estrés o reacciones alérgicas a los materiales que lo componen. Debe ser confiable y no debe requerir atención o ajuste constante durante el uso, y si es posible, el rendimiento debe degradarse gradualmente en caso de mal funcionamiento, lo que permite tiempo para tomar medidas correctivas con un riesgo mínimo. [64] No debe sobrecargar excesivamente al usuario por su peso ni reducir la capacidad de trabajo innecesariamente por espacio muerto, mayor trabajo respiratorio u obstrucción de la visión. [63]
Los usuarios varían considerablemente en cuanto a dimensiones antropométricas , fuerza física , resistencia, flexibilidad de las articulaciones, etc. El aparato respiratorio debe permitir una gama tan completa de funciones físicas como sea razonablemente posible y debe adaptarse al usuario, al entorno y a la tarea. La interfaz entre el equipo y el usuario puede influir en gran medida en la funcionalidad. [65] El aparato respiratorio puede ser utilizado por una amplia gama de usuarios y debe funcionar para todos ellos. Cuando el funcionamiento y el uso correctos del equipo son fundamentales para la seguridad del usuario, es deseable que las diferentes marcas y modelos para la misma aplicación funcionen de manera similar, para facilitar la familiarización rápida con el nuevo equipo. Cuando esto no sea posible, puede ser necesaria una formación adicional para las habilidades requeridas, y para las intervenciones médicas puede ser necesario que un operador capacitado configure el aparato y controle su funcionamiento mientras está en uso. [66]
El usuario del aparato respiratorio podrá contar con el apoyo de un equipo que esté disponible para asistirlo en la medida necesaria para reducir el riesgo asociado con el uso del aparato a un nivel aceptable en términos de las normas vigentes y los códigos de práctica. [67] [68] [69]
Los aparatos de respiración se utilizan para facilitar la respiración en condiciones peligrosas o cuando el usuario necesita asistencia para respirar adecuadamente. Los requisitos principales son mantener al usuario con vida y saludable durante y después del uso. Los requisitos secundarios incluyen proporcionar comodidad al usuario y capacidad suficiente para realizar las actividades previstas. El usuario es una parte integral del sistema, que puede depender de la competencia del usuario, así como del correcto funcionamiento del equipo para una operación segura. [70]
La tolerancia a fallos es la propiedad que permite que un sistema siga funcionando correctamente en caso de fallo de alguno de sus componentes. Si su calidad de funcionamiento disminuye en absoluto, la disminución es proporcional a la gravedad del fallo, en comparación con un sistema diseñado ingenuamente, en el que incluso un pequeño fallo puede provocar un colapso total. La tolerancia a fallos es particularmente importante en sistemas de alta disponibilidad o críticos para la seguridad . La capacidad de mantener la funcionalidad cuando se averían partes de un sistema se conoce como " degradación elegante ". [71] Algunos elementos del aparato respiratorio, y el usuario, pueden considerarse componentes críticos para la seguridad del sistema y, por lo tanto, deben ser tolerantes a los fallos. En el caso del usuario, esto se logra mediante la aptitud suficiente para realizar la tarea prevista, la competencia y el conocimiento de la situación . Se debe seleccionar un equipo que sea apropiado para el uso específico y que pueda diseñarse, fabricarse y mantenerse para proporcionar una tolerancia a fallos adecuada. Un buen diseño ergonómico minimiza la posibilidad de error del usuario.
El aparato de respiración debe permitir al usuario respirar con el mínimo trabajo respiratorio adicional y minimizar el espacio muerto adicional .
El trabajo respiratorio (WOB) es la energía que se gasta al inhalar y exhalar un gas respirable . Generalmente se expresa como trabajo por unidad de volumen, por ejemplo, julios/litro, o como tasa de trabajo (potencia), como julios/min o unidades equivalentes, ya que no es particularmente útil sin una referencia al volumen o al tiempo. Se puede calcular en términos de la presión pulmonar multiplicada por el cambio en el volumen pulmonar, o en términos del consumo de oxígeno atribuible a la respiración. [72]
El trabajo respiratorio total al utilizar un aparato respiratorio es la suma del trabajo respiratorio fisiológico y del trabajo respiratorio mecánico del aparato. En un estado de reposo normal, el trabajo respiratorio fisiológico constituye aproximadamente el 5% del consumo total de oxígeno del cuerpo. Puede aumentar considerablemente debido a una enfermedad [73] o a limitaciones en el flujo de gas impuestas por el aparato respiratorio, la presión ambiental o la composición del gas respirable. [74]
Tanto las máscaras de respiración como los cascos de buceo proporcionan un suministro de gas respirable al usuario. Otras funciones pueden diferir o superponerse parcialmente. [75]
Si la máscara está destinada a ser utilizada en un entorno hostil y se debe evitar la contaminación del suministro de gas, la máscara debe formar un sello hermético o hermético alrededor de los bordes, independientemente de la posición del usuario. Este sello se encuentra entre el faldón de elastómero de la máscara y la piel de la cara. El ajuste de la máscara afecta el sellado y la comodidad y debe tener en cuenta la variabilidad de las formas y tamaños de la cara. Esto es un problema menor con las máscaras de cara completa y menos aún con los cascos de buceo, pero otros problemas los afectan, como el tamaño total de la cabeza y la longitud y circunferencia del cuello, por lo que aún es necesario realizar ajustes y algunas opciones de tamaño. [31]
Los sellos pueden verse comprometidos por el paso de cabello por debajo del sello, y la cantidad de fuga dependerá de la cantidad de cabello y, en algunos casos, de la posición de la parte comprometida del sello. [31]
El espacio de gas en una máscara respiratoria es inherentemente autoequilibrante para cambios de presión razonablemente graduales. Si la máscara se va a utilizar en un lugar donde la presión ambiental puede cambiar significativamente, el usuario debe poder igualar la presión en el oído medio, lo que para muchas personas requiere un método para bloquear las fosas nasales. [31]
Los cascos de buceo y la mayoría de las máscaras faciales completas no permiten que el usuario acceda con los dedos a la nariz, y se han probado diversas ayudas mecánicas con distintos niveles de comodidad y conveniencia. [76] [31] Las máscaras para oxígeno suplementario pueden ser lo suficientemente blandas como para cerrar la nariz con la máscara colocada, o pueden quitarse temporalmente. Las máscaras para uso en atmósferas contaminadas se utilizan generalmente a una presión ambiental constante, por lo que es posible que no surja este problema.
El campo de visión del usuario de una máscara o casco de respiración que cubra toda la cara se ve reducido por las partes opacas del casco o la máscara. La visión periférica puede verse particularmente reducida en las áreas inferiores debido al volumen de la válvula de demanda. El diseño del casco es un compromiso entre baja masa e inercia, con un volumen interior relativamente pequeño y ventanas de visualización que ofrecen un campo de visión restringido, y ventanas de visualización grandes con un gran volumen interior. Ubicar la ventana de visualización cerca de los ojos ayuda a proporcionar una mejor visión, pero se complica por la necesidad de suficiente espacio libre delante de la nariz para una amplia gama de buceadores. Las ventanas de visualización curvadas cilíndricas pueden introducir distorsiones visuales bajo el agua que pueden reducir la efectividad del buceador al juzgar la distancia, pero son comunes en las máscaras utilizadas en el aire. Las superficies esféricas de las ventanas de visualización se utilizan generalmente en los trajes atmosféricos recientes por razones estructurales y funcionan bien cuando el volumen interior es lo suficientemente grande. Pueden hacerse lo suficientemente anchas para una visión periférica adecuada. El campo de visión de los cascos se ve afectado por la movilidad del casco. Un casco que se apoya directamente sobre la cabeza puede girar con ella, lo que permite al usuario apuntar la ventana de visualización hacia el objetivo, pero la visión periférica está limitada por las dimensiones de la ventana de visualización. El peso en el aire y las fuerzas de flotabilidad desequilibradas cuando se está sumergido deben ser soportadas por el cuello, y las cargas inerciales e hidrodinámicas deben ser soportadas por el cuello. Un casco fijado a una coraza o traje espacial se apoya en el torso, que puede soportar de forma segura cargas mucho mayores, pero no gira con la cabeza. Todo el cuerpo superior debe girar para dirigir el campo de visión. Esto hace necesario utilizar ventanas de visualización más grandes para que el usuario tenga un campo de visión aceptable en momentos en que girar el cuerpo no es práctico. La necesidad de girar la cabeza dentro del casco no giratorio requiere espacio libre interno, por lo tanto, un gran volumen.
La superficie interior de la ventana de visualización de una máscara o casco tiende a empañarse cuando el ambiente externo es más frío que la temperatura de rocío del gas en el interior, donde pequeñas gotas de agua condensada dispersan la luz que pasa a través del material transparente, lo que nubla la visión. Tratar la superficie interior con un surfactante antivaho puede reducir el empañamiento, pero puede ocurrir de todos modos y debe ser posible desempañarla activamente, ya sea enjuagándola con agua o soplando aire seco sobre ella hasta que se aclare. Los cascos estándar pueden tener una válvula de escupidera para enjuagar. Los cascos a demanda pueden tener una válvula de suministro de flujo libre que dirige aire seco sobre el interior de la máscara. Las máscaras de buceo de cara completa pueden utilizar enjuague o flujo libre, dependiendo de si están destinadas principalmente para buceo o suministro desde la superficie. Las máscaras y cascos que cubren toda la cara también pueden dirigir el flujo de gas seco fresco sobre la superficie interior de la ventana antes de inhalarlo, y evitar que el gas exhalado, húmedo y cálido, llegue a la placa frontal mediante el uso de un inserto oronasal con una válvula antirretorno en la ruta del flujo de escape. En situaciones en las que el enjuague no es una opción, se puede aplicar un surfactante antivaho a la superficie de la ventana para evitar la formación de gotitas. En ocasiones, también se ha utilizado una escobilla de limpieza operada manualmente para eliminar la condensación de la ventana.
Los usuarios que necesitan corrección óptica tienen opciones. Las lentes de contacto se pueden usar debajo de todo tipo de máscaras y cascos. Las gafas normales se pueden usar en la mayoría de los cascos, pero no se pueden ajustar. Las lentes correctoras se pueden colocar en el interior de algunas máscaras faciales completas, pero la distancia entre los ojos y las lentes puede no ser la óptima. Hay disponibles dispositivos bifocales. El desempañado de las lentes adheridas es el mismo que el de las gafas normales.
Los aparatos de respiración de circuito abierto para buceo producen burbujas de gas de exhalación en los puertos de escape. Los sistemas de flujo libre producen los volúmenes más grandes, pero la salida puede estar detrás de los puertos de visión para que no oculte la visión del buceador. Los sistemas a demanda deben tener el diafragma de la segunda etapa y los puertos de escape aproximadamente a la misma profundidad que la boca o los pulmones para minimizar el trabajo de respiración. Para obtener un esfuerzo respiratorio constante para la variedad de posturas que el buceador puede necesitar adoptar, esto es más factible cuando los puertos de escape y las válvulas están cerca de la boca, por lo que se requiere algún tipo de conducto para dirigir las burbujas lejos de los puertos de visión del casco o la máscara. Esto generalmente desvía los gases de escape hacia los lados de la cabeza, donde tienden a ser bastante ruidosos a medida que las burbujas suben más allá de las orejas. Los sistemas de circuito cerrado liberan mucho menos gas, que puede liberarse detrás del buceador, y son significativamente más silenciosos. Se han probado sistemas difusores, pero no han tenido éxito para equipos de circuito abierto, aunque se han utilizado en rebreathers, donde mejoran las características de sigilo.
Las máscaras que se mantienen en su lugar mediante correas ajustables se pueden soltar o mover de la posición correcta, lo que permite que la atmósfera ambiental o el agua ingresen y se pierda el gas respirable. Las máscaras respiratorias que cubren toda la cara se desalojan más fácilmente debido a su tamaño y deben sujetarse de manera más segura, generalmente mediante 4 o 5 correas ajustables, conectadas en la parte posterior de la cabeza, pero es posible que se desalojen, por lo que el usuario debe poder volver a colocarlas y purgar la máscara lo suficiente para continuar respirando. Los cascos están sujetos de manera mucho más segura y se considera una emergencia si se salen de la cabeza.
El volumen del espacio muerto es importante para todos los aparatos respiratorios. Las máscaras oronasales internas se utilizan a menudo para minimizar el espacio muerto interno en cascos y máscaras faciales completas, y también pueden reducir la tendencia a empañar la superficie interna de la ventana de observación.
Un casco de buceo liviano y con demanda está lastrado para tener una flotabilidad casi neutra bajo el agua, de modo que no represente una carga estática excesiva para el cuello.
Los cascos de buceo de flujo libre compensan un espacio muerto potencialmente grande con un alto caudal de gas, de modo que el gas exhalado se elimina antes de que pueda volver a respirarse. Suelen tener un gran volumen interno y ser más pesados que los cascos de buceo a demanda, y normalmente descansan sobre los hombros para evitar sobrecargar el cuello, por lo que no se mueven con la cabeza. Bajo el agua, el exceso de flotabilidad se contrarresta mediante la conexión al sistema de lastre del buceador o mediante suspensorios .
Cuando el usuario debe transportar el suministro de gas, el peso, el equilibrio y la inercia del aparato y la distribución de la carga del arnés pueden marcar una gran diferencia en la comodidad y la seguridad, en particular cuando el usuario puede tener que realizar trabajos pesados en condiciones difíciles, como en la lucha contra incendios, el rescate y la escalada de montañas. El usuario debe tener tanta libertad de movimiento como sea razonablemente posible y al menos la suficiente para llevar a cabo de forma segura las tareas previstas, mientras que el equipo debe permanecer firmemente en su lugar durante las maniobras necesarias. El acceso a las válvulas y al manómetro es importante para la gestión del gas, y es útil cuando un equipo comparte el equipo que el ajuste se pueda ajustar fácil y rápidamente para adaptarse a la persona. Para el buceo, la flotabilidad y la distribución de la flotabilidad son importantes para la seguridad.
En el caso de los equipos de respiración con suministro de gas, normalmente es muy indeseable y puede llegar a ser una emergencia quedarse sin gas inesperadamente. Controlar el gas restante, identificar los niveles bajos de gas a tiempo para tomar las medidas adecuadas y, cuando sea necesario, recurrir a un sistema de respaldo disponible son elementos necesarios de la gestión del gas. [77]
El aspecto más fundamental de la gestión de los gases es tener una idea realista de la resistencia esperada del gas disponible en ese momento y de cómo se verá afectada por el esfuerzo en circunstancias previsibles. [9] Los controles periódicos de la presión de gas restante son el método de control habitual, para el que el equipo habitual es un manómetro de presión de botella conectado a la primera etapa del regulador. Cuando es probable que el usuario tenga una carga de trabajo tal que sea razonablemente probable que no compruebe la presión de gas, es prudente utilizar una alarma de gas bajo, un cambio manual de reserva o ambos. Los tres se pueden encontrar en equipos de respiración industriales utilizados para rescate y extinción de incendios. Para el buceo submarino, los manómetros son estándar, con un sistema de suministro de gas alternativo seleccionado entre una opción contextualmente aceptable de equipo de rescate, gas suministrado por un compañero de buceo o ascenso de emergencia a la superficie. La elección depende de la evaluación de riesgos y, en algunos casos, de los procedimientos operativos estándar o del código de prácticas. Las válvulas de reserva también se utilizan ocasionalmente en condiciones de baja visibilidad. El sistema de compañeros y los ascensos de emergencia son utilizados con frecuencia por buceadores recreativos en aguas abiertas poco profundas sin obligación de descompresión planificada. Los buzos ocupacionales pueden estar obligados a llevar un equipo de rescate independiente , [69] y los buzos técnicos pueden tener varios planes de contingencia para las situaciones razonablemente previsibles que podrían ocurrir y que comprometerían su suministro de gas respirable. [77]
Cuando se dispone de más de una mezcla de gases respirables, se debe minimizar el riesgo de seleccionar un gas inadecuado para la situación actual. [77]
En los equipos médicos, la interfaz de usuario del sistema de control y monitoreo puede influir en la probabilidad de error del operador. [78]
La resistencia de un rebreather o sistema de soporte vital que suministra gas a un aparato respiratorio también depende de su capacidad para eliminar el dióxido de carbono del gas exhalado. Esto se conoce como resistencia del depurador .
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