Конспекты лекций / Лекция 11

Лекция 11. Измерительные преобразователи внешнего дыхания

1. Методики мониторинга дыхания

Пикфлоуметрия - метод определения, с какой максимальной скоростью может выдохнуть человек, другими словами это способ оценки степени сужения воздухоносных путей (бронхов). Данный метод обследования важен людям, страдающими затрудненным выдохом, в первую очередь людям с диагнозом бронхиальная астма, и позволяет оценивать эффективность проводимого лечения.

Спироме́трия (спирогра́фия) — метод исследования функции внешнего дыхания, включающий в себя измерение объёмных и скоростных показателей дыхания.

Выполняются следующие виды спирометрических проб:

спокойное дыхание;

форсированный (то есть максимально сильный) выдох;

максимальная вентиляция лёгких;

функциональные пробы (с бронходилататорами, провокационные и т. п.).

Прибор, с помощью которого осуществляется спирометрическое исследование, называется спирометром. Спирометрия используется для диагностики таких заболеваний, как бронхиальная астма, ХОБЛ, а также для оценки состояния аппарата дыхания при других заболеваниях и во время различных медицинских мероприятий.

Основные показатели, оцениваемые при проведении спирометрии:

ЖЕЛ – Жизненная ёмкость легких. Оценивается как разница между объёмами воздуха в лёгких при полном вдохе и полном выдохе.

ФЖЕЛ – Разница между объёмами воздуха в лёгких в точках начала и конца маневра форсированного выдоха.

ОФВ1 – Объём форсированного выдоха за первую секунду маневра форсированного выдоха.

Отношение ОФВ1/ЖЕЛ, выраженное в процентах – индекс Тиффно – является чувствительным индексом наличия или отсутствия ухудшения проходимости дыхательных путей, рассчитывается в процентах от должного (т.е. от нормы, должные величины определяются возрастом, весом, полом пациента по специальным таблицам).

ПОС – Пиковая объемная скорость. Максимальный поток, достигаемый в процессе выдоха.

МОС – Мгновенные объемные скорости. МОС – скорость воздушного потока в момент выдоха определенной доли ФЖЕЛ (чаще всего 25,50 и 75 % ФЖЕЛ).

Рисунок 1. Спирометрические измерения, полученные в процессе форсированного выдоха от уровня общей емкости легких до остаточного объема

Рисунок 2. Наиболее часто используемый пульмонологами график: зависимость объемной скорости потока от объема легких в процессе форсированного вдоха/ выдоха

2.Используемые датчики

Вспирометрии необходимо измерять как скоростные показатели дыхания (используемые для этого приборы называются анемометрами), так и объемные (приборы называются расходомерами). Хороший датчик спирометра должен сочетать в себе функционал обоих приборов. В медицинской практике помимо спирометров также иногда встречаются пневмотахомтеры – приборы для определения скорости потока воздуха (л/с), хотя любой спирометр по сути является пневмотахометром (но его режим в пользовательской интерфейсе не предусмотрен). Также приведенные ниже датчики могут использоваться в наркозно-дыхательной аппаратуре.

Втехнике существует понятие анемо́метр – прибор для измерения скорости движения газов, воздуха в системах, например, вентиляции.

2.1.Механические измерительные преобразователи расхода газов

Механические измерительные преобразователи потока газов работают на принципе физического воздействия жидкости или газа на измерительный элемент,

например на крыльчатку турбины.

Турбинные измерительные преобразователи измеряют средний объемный расход жидкости или газа. При этом на чувствительный элемент действует гидродинамическая сила F движущегося потока воздуха, вызывая вращение ротора турбины (крыльчатки). Подсчет количества вращений турбины может осуществляться электронным (тензодатчики) или фотоэлектрическим способами. Подобный прибор дает возможность получить запись кривой объемов вдоха (выдоха) в виде экстремальных значений за каждый дыхательный цикл.

2.2. Тензометрические датчик

Диафрагма выполнена в виде упругой тонкой (толщина 0.1 мм) мембраны с центральным отверстием. Мембрана под действием динамического давления воздушного потока прогибается, при этом возникают напряжения растяжения и сжатия в полупроводниковых тензорезисторах, размещенных на мембране в месте ее заделки в корпус прибора. Сопротивление тензорезисторов, включенных в измерительные электрические схемы, изменяется в зависимости от величины расхода газа – в этом и заключается принцип работы прибора. В общем случае эти датчики нелинейны. При

Qmax 10 нелинейность датчиков, как правило, не превышает 5% (Q – расход воздуха).

Qmin

2.3. Расходомеры, основанные на изменении температуры чувствительного элемента ИП.

В английском языке данные датчики носят названия hot wire. В струю воздуха помещается нагретый термистор. При увеличении скорости потока происходит охлаждение/нагревание чувствительного элемента (к примеру, известно, что при холодной ветреной погоде ощущение холода сильнее при равных температурах воздуха. Изменение сопротивления термистора, вызванное этим охлаждением, связано со скоростью воздушного потока.

Недостатками термокондуктометрического датчика являются нелинейность передаточной характеристики, высокая инерционность, низкая чувствительность и

точность, сложности в определении направления потока воздуха. Кроме того, материал терморезистора крайне неустойчив к санитарной обработке и механическим повреждениям. К преимуществам этого типа датчиков следует отнести крайне малое сопротивление потоку воздуха. Наиболее распространены данные датчики в наркознодыхательной аппаратуре, в частности в аппаратах фирма Draeger.

2.4.Ультразвуковой датчик

В основе работы этих датчиков лежит эффект Доплера, а в качестве излучателей и приемников ультразвука используются пьезокерамические кольца 1, расположенные перпендикулярно измерительному каналу на некотором расстоянии друг от друга.

Основным недостатком ультразвуковых датчиков является низкая точность и чувствительность, особенно на малых расходах. Также такие датчики обладают нелинейной передаточной характеристикой. Преимуществами являются отличные динамические характеристики и малое сопротивление потоку. Кроме того, данный тип датчика обеспечивает простоту дезинфекции и санитарной обработки и возможность определения направления потока воздуха.

2.5.Расходомеры, основанные на определении дифференциального давления

Принцип действия подобных устройств основан на изменении давления в

воздушном потоке при наличии аэродинамического сопротивления этому потоку. Такие устройства применяются довольно часто, так как имеют почти линейные характеристики и позволяют производить измерения с приемлемой точностью.

При прохождении потока воздуха через некоторое сопротивление (сетка, сужение трубки и т.д.) возникает перепад давления в потоке. Разность давлений зависит от скорости потока. Чтобы обеспечить ламинарность потока, используют резистивные элементы либо в виде набора капиллярных трубочек (трубки Лилли), либо в виде каналов (пневмотахометр Флейша), размещенных вдоль оси потока. Самым точным клиническим измерителем скорости воздушного потока является пневмотахометр Флейша.

В таких пневмотахометрах скорость воздушного потока определяется как

Q = P/R,

где P - падение давления на участке аэродинамического сопротивления. При этом предполагается, что R (радиус) остается постоянным.

Для регистрации разности давлений перед резистивным элементом и последнего рационально использовать преобразователи дифференциального давления (ПДД), преобразующие разность давлений в электрический сигнал. Так как сопротивление воздуху резистивного элемента трубки Флейша мало, разность

использовать датчик с высоким уровнем чувствительности.

Сопротивление может значительно возрастать в результате накопления конденсированных водяных паров, содержащихся в выдыхаемом воздухе. Для устранения этого недостатка осуществляют нагрев элемента пневмотахометра. Однако при нагревании элемента изменяется температура воздуха (соответственно, меняется и давление) и соответственно требуется калибровка ИП (значительный минус).

Рис. 3. Линейные потокорезистивные элементы На рис. 3 показаны два типа линейных потокорезистивных элементов, используемых

для измерения объемного расхода воздуха при обследованиях дыхательной системы. Узкие каналы обеспечивают однородность профиля потока воздуха, благодаря чему реализуется линейная взаимосвязь между разностью давлений и потоком. Дифференциальный преобразователь давления измеряет перепад давления на элементе, пропорциональный объемному расходу воздуха (м3/с). Для корректировки градуировочной характеристики используют специальный шприц-калибратор вместимостью 1-3 л. Для обеспечения достаточной точности калибровки объем шприца при ходе поршня "от упора до упора" должен тарироваться с точностью 1 мл. В этом случае удается восстановить градуировочную характеристику с точностью не ниже 3-4%. Калибровку необходимо проводить каждый раз после смены ИП ППД или его измерительного элемента.

3. Требования, предъявляемые к ИП потока воздуха

ИП скорости воздушного потока должны удовлетворять следующим требованиям:

Малое аэродинамическое сопротивление, чтобы не оказывать заметного влияния на акт дыхания.

Способность выдерживать высокое давление в воздухоносных путях, создаваемое при искусственной вентиляции легких

Малый объем мертвого пространства.

Наиболее приемлемые метрологические характеристики преобразователя перепада давления считаются характеристики, представленные в таблице 1.

Приемлемым уровнем относительной погрешность измерения расхода воздуха в статическом режиме является величина не более 4% в диапазоне измерения расходов (1,5..15) л/с и 60 мл/св диапазоне от 0.1 до 1.5 л/с. Диапазон частот должен быть не хуже чем 0.2 Гц.

Методы проверки метрологических характеристик включают проверку диапазонов и погрешности измерения расходов в статическом режиме с использованием образцовых раходомерных установок. Динамические характеристики оцениваются по реакции на "скачек" фронта. Обычно анализируется реакция на задний фронт при быстром выключении расхода.

Важным аспектом безопасного применения приборов для измерения параметров дыхания является предотвращение возможности распространения инфекции через преобразователь расхода. В большинстве известных приборов используются вместе с

расходомером сменные стерилизуемые мундштуки, иногда в дополнении со специальными расходными фильтрами. Однако сам расходомер подвергается лишь периодической дезинфекции. Более прогрессивное, но дорогое решение – обеспечить замену не только мундштука, но и самого расходомера после каждого пациента.

Общепринятый набор функций, выполняемых современным прибором для измерения параметров форованного выдоха, должен позволять во время измерения

отображать в реальном масштабе времени зависимость поток-объем форсированного выдоха, выбирать лучший дыхательный маневр для дальнейшей обработки, рассчитывать параметры форсированного выдоха и приводить их к стандартным внутрилегочным условиям по введенной заранее информации о внешних атмосферных условиях, рассчитывать процентное отношение измеренных параметров к нормативам (должным величинам) по введенной информации об антропометрических данных пациента. В качестве расширенных функциональных возможностей в ряде приборов предусмотрены постановка автоматизированного заключения о состоянии бронхиальной проводимости, архивирование результатов обследования, автоматизированная калибровка расходомера и др.

Спироанализатор карманного формата, позволяющий проводить диагностику в любых условиях. Обновленная модель с расширенным перечнем измеряемых параметров,

новым эргономичным дизайном, и уже привычными преимуществами. Интерпретация показателей, выбор и сохранение лучшего теста, самотестирование, сравнение измеренных параметров к расчетным величинам, датчик потока не требует калибровки,

прост в обслуживании, работа от встроенного аккумулятора.

Датчик-сенсор: турбинного типа с инфракрасным прерывателем.

Датчик потока: двунаправленная цифровая турбина.

Измерение потока: ±16л/с.

Точность измерения объема: ±3% или 50мл, что больше.

Точность измерения потока: ±5% o 200мл/с, что больше.

Динамическое сопротивление при 12 л/с: <0.5смH2O/л/с.

Датчик температуры: полупрoвoдниковый (0-45°C).

4. О разнообразии подходов к измерению одного и того же параметра

F.Q. Al-Khadli et al. Respiration Rate Monitoring Methods: A Review. Pediatr Pulmomol. 2011. N. 46. P. 523-529.

Определение частоты дыхания: I. Контактные методы

1.Анализ звуков дыхания

2.Температура выдыхаемого воздуха по сравнению с выдыхаемым выше,

влажность больше, содержание CO2 выше.

a.Термисторный датчик, установленный в носовые пазухи

b.Датчики давления

c.Датчики содержания CO2

3. При дыхании происходят движения грудной клетки, увеличение и сужение

объема => пьезопояс одетый на грудную клетку (но типы дыхания даже у здоровых людей может различаться, не говоря о пациентах с тяжелыми легочными заболеваниями)

4.Чрезкожный мониторинг CO2

5.Плетизмография и определение сатурации крови кислородом

6.ЭКГ (анализ дрейфа изолинии)

II. Бесконтактные методы

1.Метод Доплера

2.Инфракрасная сетка + оптическая камера (определение движений грудной клетки). Более того, в одном эксперименте анализировалась видеозапись спящего ребенка в палате интенсивной терапии

3.Термисторы встраиваются в дыхательную маску

4.Анализ изображений с лицом пациента

5.Термочувствительная камера (метод тепловизоров)

Вопросы к лекции:

1.Пикфлуометрия и спирометрия. Механические измерительные преобразователи расхода газов, принцип работы

2.Тензометрические измерительные преобразователи расхода газов, принцип работы. Расходомеры, основанные на изменении температуры чувствительного элемента ИП.

3.Расходомеры, основанные на определении дифференциального давления.

4.Требования, предъявляемые к ИП потока воздуха. Ультразвуковые датчики для определения характеристик потока воздуха.

5.Приведите как минимум 5 способов автоматического измерения частоты дыхания человека.