Методы диагностики и лечения по                параметрам БАТ

5.2. Приборы для измерения параметров внешнего дыхания. Спирометры.

     Принцип работы спирометра поясним на примере спирометра Книппенга (рис.5.3.)
     Прибор Книппенга закрытого типа (рис.5.3.) состоит из: насоса с мотором (1); промывной колбы с поглотителем углекислоты (2); маски (3); самописца (4); счетчика времени (5), связанного с барабаном самописца; неподвижной (6) и подвижной (7) цилиндрических емкостей, а так же валика (8), связанного с подвижной цилиндрической емкостью и пером самописца путем гибкого ремня.
     К аппаратам закрытого типа относится аппарат шведской фирмы “Элена – модель II” [39], [40], в котором используются веерные меха. Емкость их составляет 10 л. В указанном источнике приводится ряд других приборов и методики определения параметров внешнего дыхания: методы исследования газового состава крови, методы исследования газообмена и др.

Рис. 5.3. Схема аппарата Книппенга.

     Датчики для измерения временных параметров внешнего дыхания.
Как было отмечено выше функциональные пробы с временными параметрами дыхания имеют существенное значение в оценке состояния как аппарата дыхания, так и кровообращения. При этом следует отметить, что необходимым показателем в оценке патологического состояния человека является вовремя измеренные и правильно интерпретированные параметры не только параметры внешнего дыхания, но и частота сердечных сокращений, т.к. она связана с системой кровообращения.
     В настоящее время существует большое количество методов измерения параметров дыхания с хорошей аппаратурной реализацией. Актуальным остается вопрос конструкции датчиков для измерения временных параметров дыхания, которые должны надежно работать длительное время при пробах с физической нагрузкой, не создавая при этом серьезных помех.
     Существующие датчики не в полной мере удовлетворяют этому требованию из-за того, что работать в условиях динамики и в среде с большой влажностью.
     Методы определения параметров дыхания можно разделить на две группы [38]: методы дающие возможность количественно оценить процесс дыхания и методы позволяющие судить лишь о фазах дыхания. Несмотря на очевидное преимущество первых, как обеспечивающих большую информативность исследуемого процесса, их применение наталкивается на существенные трудности связанные с использованием масок, зажимов для носа и т.п. Все это затрудняет выполнение различных функциональных проб в естественных условиях. Например, анализ параметров дыхания в процессе физической работы или тренировки спортсмена.
     В практике медицинского контроля за состоянием человека чаще всего используют косвенные методы измерения параметров дыхания: тензометрические, диэлектрографические, методы высокочастотной спирометрии и т.д.
     Можно выделить способы непрямого получения параметров дыхания [39] такие как:

     Такое разнообразие способов регистрации параметров дыхания свидетельствует об отсутствии единого универсального, пригодного для различных методов и условий контроля функционального состояния человека. Разнообразие способов влечет за собой разработку новых конструкций датчиков. Так при бесконтактном методе регистрации некоторых параметров внешнего дыхания (например, частоты вдоха и выдоха) используется датчик, выходной величиной которого является термо ЭДС термобатареи. При вдохе и выдохе регистрируется разностный нагрев. Основным недостатком таких датчиков является невозможность рассчитать соотношение времени вдоха и выдоха из-за большой инертности. Малая чувствительность таких датчиков требует дополнительного усиления выходного сигнала.
     При измерении фаз дыхания может использоваться угольный измерительный преобразователь. Он надежен в эксплуатации, прост в изготовлении и удобен в эксплуатации. Однако обладает малой помехоустойчивостью при измерении фаз дыхания в процессе двигательной активности человека.
     При измерении объемных показателей внешнего дыхания, с последующем выделением фазы дыхания, применяются датчики в виде поясов закрепляемых на грудь. При вдохе и выдохе изменяется длина пояса. В качестве чувствительного элемента может использоваться магнитная головка, закрепленная на конце пояса (на подобии магнитофонной). На другом конце закрепляется магнитная лента с записью синусоидального сигнала с заданной частотой. На выходе сигнал усиливается, далее формируются импульсы прямоугольной формы и считаются счетчиком импульсов. Выбор частоты на магнитной ленте определяется заданной погрешностью квантования. Выходная частота пропорциональна перемещению ленты. Недостатком этого метода является увеличение значительной доли динамической погрешности при физических пробах, связанных с быстрыми переменами фаз физической нагрузки. (Прыжки, рывки, взятие старта и др.)
      Можно использовать и другие датчики для измерения объемных показателей. Например, гибкий нагрудный пояс, основанный на изменении сопротивления при изменении длины пояса (тензометрический пояс), а также резистивный, емкостной или другие типы датчиков. При использовании таких датчиков электронная часть устройства будет сложнее в отличие от использования магнитной головки с магнитной лентой.
      Однако использование нагрудных поясов с различными типами датчиков для измерения временных параметров фаз дыхания не отвечает некот орым важнейшим требованиям: надежности, простоте эксплуатации и малой чувствительностью при определении фаз дыхания. При этом пояс причиняет некоторое неудобство при пробах физической нагрузкой.
     Наиболее перспективными являются косвенные методы, где используется изменение давления вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, которое преобразуется в частоту импульсов. При этом появление импульсов при изменении давления при вдохе и выдохе определяет фазы при вдохе, выдохе, а также время задержки дыхания, что очень важно при пробах с задержкой дыхания после вдоха или после выдоха.
      Выше указанные недостатки можно исключить используя устройство для измерения параметров дыхания [41], где разработанный датчик не обладает указанными выше недостатками.

Рис. 5.4. а) Конструкция датчика.
б) Мембрана фаз дыхания.
1 - корпус датчика; 2 - зажимные патрубки мембраны; 3 - мембраны; 4 - клапаны с флажком; 5 - светодиоды; 6 - фотоприемники; 7 - возвратные пружины клапанов.
б) Внешний вид мембраны. в) Внешний вид клапана с направляющей и флажком.

     Датчик в этом устройстве выполнен на основе кислородной маски используемой в анестезиологии. Конструктивно датчик показан на рис.5.4. Датчик из корпуса (1), в который вмонтированы два светодиода (5) и два фотоприемника (6). Две мембраны (3) и два клапана (4). Причем один из них работает на выдох (^), а другой на вдох (v).
     После вдоха и выдоха клапаны возвращаются в исходное положение возвратными пружинами (7). Это необходимо для определения задержки дыхания после вдоха и выдоха. Мембраны плотно прижимаются к корпусу датчика зажимными патрубками вдоха и выдоха (2).
     Мембрана представляет собой круглую пластинку с 4-мя отверстиями и отверстием в центре (рис.5.4.б)). На направляющей закреплен флажок, который пересекает световой поток между фотодиодом и светодиодом. При этом измерительная цепь формирует импульсы, позволяющие после измерения их параметров определить: частоту вдоха-выдоха в минуту; время вдоха и выдоха; время задержки дыхания после вдоха и выдоха; соотношение по длительности время вдоха и выдоха и задержками дыхания после вдоха и выдоха, а также частот вдоха-выдоха.
     Диаграммы формирования импульсов вдоха-выдоха и задержки дыхания показаны на рис.5.5

Рис. 5.5. Диаграммы формирования
вдоха-выдоха и задержки дыхания
а) фаза частоты вдоха; б) фаза частоты выдоха; в) фаза частоты вдоха с задержкой дыхания после вдоха; г) фаза частоты выдоха с задержкой дыхания после выдоха; д) фаза частот задержек дыхания после вдоха и выдоха.

     На рис.5.5.а), б) показаны фазы вдоха и выдоха. На рисунке видно, что время вдоха (?вд) и выдоха (?выд), а также период вдоха (Твд) и выдоха (Твыд) как разными по длительности, так и в равном соотношении. При этом нет задержек дыхания после вдоха и выдоха, то есть за вдохом сразу следует выдох.
      На рис.5.5.в), г) показаны соответственно фазы вдоха и выдоха с задержкой дыхания как после вдоха, так и после выдоха. Длительность задержки дыхания после вдоха определяется сразу после окончания вдоха (рис.5.5 в)) и началом выдоха (рис.5.5. г)).
     На рис.5.5.д) время задержки после вдоха (?з.вд). После окончания времени выдоха (рис. 5.5.г)) и началом фазы вдоха (рис.5.5. в) импульс 2) определяется время задержки дыхания после выдоха (?з.выд) (рис.5.5. д)). Полный цикл времени вдоха, задержки после вдоха, время выдоха и двух задержек дыхания можно определить временем от начала вдоха (импульс 1 рис.5.5.в)) и началом следующего вдоха (импульс 2 рис.5.5. в)).

 Предварительная измерительная цепь для анализа временных параметров дыхания.

     На рис.5.5 были показаны временные диаграммы работы устройства для измерения временных параметров дыхания. Функциональная схема предварительной цепи устройства показана на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Функциональная схема предварительной измерительной цепи.

     Схема состоит из двух практически одинаковых частей: схемы формирования временных интервалов фазы вдоха (рис. 5.6.а) и схемы формирования временных интервалов фазы выдоха (рис. 5.6.б). Каждая часть схемы состоит из двух блоков. Схема формирования временных интервалов фазы вдоха состоит из блока формирования перепадов начала и окончания вдоха (как без задержки дыхания на вдохе, так и с задержкой) (БФП (ВД)) и блока формирования временных интервалов, пропорциональных вдоху, задержке дыхания на вдохе и интервале, включая длительность вдоха и задержку (БФВИ (ВД)).
     Аналогично построена схема формирования временных интервалов фазы выдоха. Блок формирования перепада выдоха (БФП(ВЫД)) и блок формирования временных интервалов на выдохе.
     Каждая из схем формирования перепадов на фазе вдоха и выдоха состоит из: двух светодиодов VD1, VD3, соответственно,(АЛ107Б); двух фотодиодов VD2, VD4 (ФД3); двух транзисторов VT1, VT4 и пяти резисторов (R1, R2, R3, R4, R5) для блока БФИ (ВД) и (R6, R7, R8, R9, R10) для блока БФИ (ВЫД).
     Блок формирования временных интервалов на фазе вдоха (БФВИ(ВД)) состоит из: формирователя импульсов ФИ1, двух инверторов (ИН1) и (ИН2) и трех R5 триггеров (Т1, Т2, Т3). При этом триггер Т2 формирует интервал, пропорциональный вдоху, триггер Т1 интервал пропорциональный задержке дыхания на вдохе и триггер Т3 интервал, пропорциональный фазе вдоха включая задержку.
     Блок формирования временных интервалов фазы выдоха (БФВИ(ВЫД)) идентичен блоку (БФВИ(ВД)) и состоит также из: формирователя импульсов ФИ2; двух инверторов (ИН3) и (ИН4) и трех триггеров Т3, Т4, Т5. Причем триггер Т4 формирует интервал, пропорциональный выдоху, триггер Т3 интервал пропорциональный задержке дыхания на выдохе, триггер Т5 сумму временных интервалов выдоха и временного интервала задержки дыхания на выдохе.
     Данные предварительной измерительной цепи через интерфейсный блок поступают на персональный компьютер (ПК), а далее измеряются и рассчитываются все указанные временные параметры по программе.
     При переносном варианте используются микро-ЭВМ.

     Структурная схема устройства выполненная с использованием микро-ЭВМ приведена на рис.5.7.

Рис. 5.7. Структураная схема устройства для измерения временных
параметров дыхания на основе Микро-ЭВМ.

     Измерение временных параметров можно осуществить чисто аппаратно, без использования ПК или микро-ЭВМ. В этом случае потребуется шесть измерителей интервалов времени с цифровым отсчетным устройством, что не совсем рационально.
      Использование ПК позволяет проанализировать все данные и выдать результат нормы или патологии нарушений внешней дыхательной системы. Наиболее широкие перспективы раскрываются при одновременном анализе временных параметров дыхания и риткардиографии, т.к. дыхательная система тесно связана с кровообращением. Это легко осуществить используя возможности ПК, что позволит провести многогранную диагностику и установить корреляционную зависимость между системой кровообращения и системой дыхания.
      Устройство выполненное на основе микро-ЭВМ обладает малыми габаритами, обладает широкими функциональными возможностями, малой стоимостью и может быть использовано в передвижных исследовательских лабораториях: