Еще одним прибором, предназначенным для измерения скорости потока воздуха, является пикфлоуметр. В отличие от пневмотахометров, функцио- нальные возможности пикфлоуметра скромнее: он предназначен для опреде- ления одного единственного параметра – пиковой объемной скорости выдоха. Прибор позволяет оценить состояние работы органов дыхания при таких заболеваниях легких, как хронический бронхит или бронхиальная астма, а также применяется в целях анализа эффективности принимаемых препаратов. Принцип действия механического пикфлуометра очень прост и основан на вертикальном перемещении стрелки под давлением на нее воздушного потока. Существуют также электронные пикфлоуметры, но они не получили такого широкого распространения, как механические.
Прибор состоит из мундштука и собственно датчика, значение пиковой скорости отмечается на шкале красной меткой. Достаточно часто прибор градуируется в цветовой шкале, в этом случае зеленый диапазон означает норму, желтый – наличие функциональных нарушений, а красный – наличие явной патологии.
Наиболее часто используемыми показателями, характеризующими состояние механики дыхания, являются абсолютный объем легких и объем газа в легких при различных дыхательных маневрах. Измерение объема легких чаще всего проводят путем измерения объема газа, проходящего через выходное отверстие. Этот метод называют спирометрией, а соответствующие приборы – спирометрами.
В этом типе приборов изменения объема датчиков в процессе дыхания достигаются либо за счет того, что камеры изготавливаются из эластичного материала с гофрированным профилем (сильфоны), либо применяются камеры, состоящие из двух частей: внешней неподвижной и внутренней подвижной. Для фиксации объема между фазами вдоха и выдоха и разделения фаз дыхания используются клапаны. В спирометрах с подвижной частью роль клапана выполняет вода, налитая во внешний корпус. Поэтому такие спирометры называются водяными или жидкостными. Спирометры с эластичной камерой называются сухими. Управление газовыми потоками, проходящими через сильфоны, производится механическими клапанами различной конструкции.
Подвижная часть водяных спирометров выполняется в виде колокола (полого тонкостенного цилиндра), перемещающегося вверх и вниз вдоль внешнего корпуса 2, заполненного водой 4 (рис. 2.14, а). При подаче воздуха через трубку 3 колокол 1 перемещается вверх вследствие увеличения давления в его верхней части. Перемещение будет пропорционально объему воздуха, который выдохнул пациент в трубку 3. По известным геометрическим размерам колокола и его перемещению рассчитывается объем выдыхаемого воздуха. Поэтому соответствующая шкала может быть выполнена непосредственно на стенке колокола.
В сухом спирометре (рис. 2.14, б) в зависимости от объема выдыхаемого воздуха изменяется длина сильфона 1. В исходном состоянии он максимально сжат. Поток воздуха открывает клапан 3, который подпружинен пружиной 2, и увеличивает объем сильфона на величину, равную объему измеряемого воздуха. При прекращении потока воздуха V клапан 3 садится на свое седло в трубке, и некоторое время сохраняется то положение сильфона, которое соответствует объему выдохнутого воздуха. Из-за невысокой герметичности клапана или с помощью дополнительного клапана сильфон возвращается в исходное положение.
Другая разновидность сухих спирометров работает по принципу движения пневматического поршня и в отличие от сильфонных конструкций получила широкое распространение. В данном приборе выдыхаемый пациентом воздух подается в цилиндрическую камеру, имеющую соответствующую градуировку, по которой может свободно перемещаться поршень, сделанный из легкого материала. Под давлением выдыхаемого воздуха поршень поднимается вверх по цилиндру, по величине его перемещения можно судить и об объеме выдохнутого воздуха. Довольно часто подобные приборы объединяют в единый корпус с тренажерами дыхания. На рис. 2.18 представлен пример подобного прибора. Справа можно видеть измерительный цилиндр со шкалой, левая часть прибора используется для тренировки, меняя положения синих фиксаторов на боках цилиндров можно задать целевое значение для тренировки.
Спирометры выпускаются как самостоятельные изделия и в составе более сложных приборов, которые осуществляют графическую регистрацию процесса внешнего дыхания. Эти приборы называются спирографами.
Спирография может проводиться с поступлением в систему прибора наружного воздуха – открытая система дыхания и без поступления наружного воздуха – закрытая система дыхания. Открытая система позволяет проводить более длительные исследования, так как при ее использовании дыхание не затрудняется. Однако спирографы с открытой системой получили меньшее распространение, чем спирографы с закрытой системой, из-за их меньшей информативности.
Спирография при дыхании в замкнутом пространстве основана на уменьшении объема выдыхаемой газовой смеси за счет потребленного организмом кислорода. Углекислый газ, выделенный организмом, поглощается химическим поглотителем, имеющимся внутри спирографа. Поэтому в смеси он не занимает места поглощенного кислорода. Рассмотрим структуру спирографов подобного типа.
Принцип действия спирографа с дыханием в замкнутом пространстве, следующий: от маски 1, накладываемой на нос и рот пациента, по трубке 4 выдыхаемый воздух подается в спирометр, состоящий из неподвижной 2 и подвижной 3 частей. Воздух из подвижной части отводится с помощью трубки 6 и насоса с мотором 7 и подается в поглотитель 8, откуда воздух, лишенный углекислого газа, поступает в маску 1. Перемещение подвижной части через блок 5 и грузик 9 передается на перо 10 (или на преобразователь «перемещение – электрический сигнал») и записывается на цилиндр 11, вращаемый двигателем 12. Подвижная часть поднимается и опускается, соответственно, с выдохом и вдохом, при этом опускается все время за счет поглощения кислорода в дыхательной системе. Эти движения записываются и представляют собой спирограмму.
Стационарный спирометр – максимально оснащенный и многофункциональный прибор с расширенными возможностями эксплуатации. Обычно в стационарных спирометрах предусмотрено печатающее устройство, чаще всего они представляют собой настольные приборы больших габаритов.
Портативный спирометр – малогабаритный прибор со стандартным набором всех необходимых функций и измерений, который обычно имеет принтер и может устанавливать соединение с персональным компьютером через Bluetooth или USB. Благодаря мобильности и удобной системе навигации портативный спирометр может стать «карманным» устройством, которое легко возить с собой.
Компьютерный (или компьютеризированный) спирометр – устройство, работающее при подключении к ПК, оснащенное специальным программным обеспечением. Как правило, имеет расширенный набор функций и измерений, удобен и прост в применении.
Электронный спирометр – современное устройство, отображающее график поток–объем и график объема воздуха. Более совершенная версия спирометров – приборы, которые могут определять рост, массу тела и возраст пациента по результатам исследования.
Ручной спирометр – самый простой вариант устройства, позволяющий оценивать объем воздуха, который выдыхается в первую секунду теста. Результаты, получаемые в данном случае после диагностики, сопоставляются с нормальными стандартными показателями, что и позволяет выявить отклонения.
В медицинской практике для измерения объема легких используются также методы респираторной плетизмографии. В пульмонологии применяют два основных способа плетизмографии, предназначенных для оценки изменения объема грудной полости: измерение геометрических параметров грудной клетки в некоторых специальных участках тела (пример датчика, предназначенного для этого, приведен на рис. 2.25), альтернативой ему является оценка влияния изменений торакального объема на параметры газа внутри плетизмографической камеры, где находится все тело (рис. 2.26).
Существует несколько типов приборов для непрерывного измерения движений грудной клетки, связанных с изменением ее объема. При дыхании меняется электрический импеданс грудной полости, который можно регистрировать, чтобы следить за дыхательной активностью. Другой принцип измерения основан на том, что большинство типов дыхания характеризуется двумя основными степенями свободы: движением ребер грудной клетки и движением диафрагмы. Эти двигательные акты регистрируются магнитометрами, тензодатчиками и переменными индуктивностями, работающими одновременно в грудном и брюшном отделах грудной клетки.
Определение абсолютного объема легких может осуществляться методами общей плетизмографии, когда пациент помещается в специальную камеру постоянного объема, в которой производится регистрация изменения давления в процессе дыхания.
Перечисленные датчики могут являться составной частью соответствующих измерительных приборов, преобразующих величины механических перемещений в электрическое напряжение, которое далее преобразуется для регистрации и последующей обработки.