ДАТЧИК ДЫХАНИЯ БАКУСОВА Л.М. Российский патент 2003 года по МПК A61B5/08 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам контроля параметров дыхания в норме и патологии и может быть использовано, например, для мониторинга текущего функционального состояния в палатах интенсивного наблюдения, а также для контроля за состоянием человека-оператора, например, в космическом полете.

Известно устройство для измерения частоты дыхания, содержащее датчик силы с эластичным ремнем, имеющее крепежное устройство, выполненное в виде пряжки с фторопластовыми направляющими, размещенной в шарнирах защитного щитка, выполненного в виде двух лепестков трапециевидной формы, между эластичным ремнем и основанием пряжки размещен датчик силы, при этом величина угла α между плоскостью фторопластовой направляющей и плоскостью основания датчика силы составляет α≤arctgK, где К - коэффицент трения между эластичным ремнем и фторопластовой направляющей [1].

Недостатками известного устройства являются низкие эксплуатационные возможности по причине громоздкости устройства и необходимости размещения его на пациенте вокруг грудной клетки, что является возможным в очень ограниченном количестве случаев, что обуславливает также низкие функциональные возможности известного устройства и ограничивает область его применения.

Известен датчик дыхания, содержащий чувствительный элемент, установленный в корпусе и соединенный через электрические контакты с регистратором, причем чувствительный элемент выполнен в виде стержня из полимера, проявляющего эффект памяти формы, с нанесенным на него металлическим покрытием, а деталь из материала с высоким электрическим сопротивлением выполнена полукруглой и соприкасается с концом чувствительного элемента [2].

Недостатками известного устройства является невысокая точность измерения, а также низкая надежность устройства ввиду наличия подвижных механических частей, являющихся, кроме того, электрическими контактами. Помимо этого устройство имеет небольшой ресурс ввиду больших амплитуд изгибных перемещений полимерного стержня и быстрого накопления в нем механических напряжений.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для исследования параметров дыхания, содержащее чувствительный элемент, соединенный через электрические контакты с регистратором. Кроме того, чувствительный элемент выполнен в виде полого с отверстиями в торцах усеченного конуса из поляризованного сегнетоэлектрического материала, с внешней и внутренней сторон которого расположены электроды, покрытые слоем изоляционного материала и усилитель, вход которого соединен с электродами чувствительного элемента, а выход усилителя соединен со входом регистратора [3].

Известное устройство имеет высокую чувствительность по причине применения пироэлектрического эффекта в сегнетоэлектриках, однако, недостатками его являются высокая стоимость применяемых пироэлектрических материалов и сложность технологического процесса выполнения пироэлектрического чувствительного элемента сложной формы.

Целью предлагаемого изобретения является снижение стоимости, упрощение при одновременном повышении точности и надежности за счет введения дополнительных элементов, позволяющих исключить из конструкции какие-либо движущиеся механические части, и реализации эффекта, моделирующего пироэлектрический эффект, в обычных пьезоэлектриках, не обладающих пироэлектрическими свойствами, а также повышение амплитуды выходного напряжения.

Для достижения поставленной цели в известном устройстве для исследования параметров дыхания, содержащем чувствительный элемент, соединенный через электрические контакты с регистратором дополнительно чувствительный элемент представляет собой тонкую пластину пьезоэлектрика, например пьезокерамики, с нанесенными на его поверхности металлическими электродами. Кроме того, по меньшей мере, один из электродов выполнен в виде напыленной тонкой пленки. Кроме того, электроды выполнены из разнородных материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Кроме того, пластина пьезоэлектрика состоит их двух или более тонких слоев разнородных пьеэоэлектриков, имеющих различные коэффиценты теплового расширения, нанесенных друг на друга. Кроме того, площадь пластины пьезоэлектрика меньше площади электродов, а в межэлектродном пространстве, свободном от пластины пьеэоэлектрика, расположена пластина полупроводника, контактирующая с электродами, толщина которой равна толщине пластины пьезоэлектрика. Кроме того, в полупроводниковой пластине выполнен варикап. Кроме того, пластина пьезоэлектрика является пьезорезонатором, а регистратор содержит генератор, частотнозадающие входы которого являются входами регистратора, и частотомер, вход которого соединен с выходом генератора.

На фиг.1 изображена схема датчика дыхания в случае электродов, выполненных из одного материала, и процесса измерения им параметров дыхания.

На фиг. 2 изображена схема деформации чувствительного элемента датчика при нагреве.

На фиг. 3 изображена схема измерения функций дыхательной системы датчиком, электроды чувствительного элемента которого выполнены из различных материалов.

На фиг.4 изображены графики изменения температур электродов и пластины в соответствии с графиком изменения заторможенного давления воздуха в процессе дыхания.

На фиг.5 изображена схема датчика дыхания с пьезорезонатором.

На фиг.6 изображена схема датчика дыхания с варикалом.

Датчик дыхания (фиг. 1) содержит чувствительный элемент 1, содержащий тонкопленочный электрод 2 и второй массивный либо также тонкопленочный электрод 3, между которыми расположена тонкая пластина 4, обладающая пьезоэлектрическими свойствами и выполненная, например, из пьезокерамики; регистратор 5, входы которого соединены с электродами 2 и 3, входами регистратора 5 являются входы индикаторного элемента 6. Электроды 2 и 3 датчика могут быть одинаковыми по толщине, размерам и конфигурации и выполнены из разных электропроводных материалов с различными коэффицентами теплового расширения (фиг.3). Чувствительный элемент 1 датчика в этих случаях в целом может представлять собой пластину площадью от нескольких единиц-десятков см² до 1 мм².

В случае, когда пьезоэлектрик 4 чувствительного элемента 1 является пьезорезонатором, (фиг.5) например, выполнен из среза монокристалла горного хрусталя, электроды 2 и 3 могут быть выполнены как из одного электропроводного материала (по фиг.1), так и из разнородных материалов (по фиг.3). В этом случае регистратор 5 содержит индикаторный элемент 6, в качестве которого используется частотомер, и электронный генератор 7 высокочастотных колебаний, входы частозадающего контура которого являются входами регистратора 5 и соединены с электродами 2 и 3 чувствительного элемента 1, а выход генератора 7 соединен со входом частотомера 6. Площадь чувствительного элемента 1 в этом случае определяется частотой собственного резонанса кварцевой пластины, используемой в качестве пьезоэлектрика 4.

Датчик дыхания (фиг.6) может иметь чувствительный элемент 1, содержащий в пространстве между электродами 2 и 3, которые могут быть выполнены аналогично предыдущим вариантам, пьезоэлектрический слой 4, площадь которого меньше, чем площадь каждого из электродов 2 и 3; остальное межэлектродное пространство занимает полупроводниковый слой 8, в котором сформирован варикап; регистратор 5 датчика в этом случае также содержит индикаторный элемент 6, в качестве которого использован частотометр, и генератор 7 высокочастотных колебаний аналогично датчику дыхания на фиг.5.

Датчик дыхания работает следующим образом.

Чувствительный элемент 1 датчика располагают так (фиг.1), чтобы он находился в потоке выдыхаемого воздуха на расстоянии от пациента. В случае, если электроды 2 и 3 чувствительного элемента 1 выполнены из однородного электропроводящего материала, чувствительный элемент 1 располагают так, чтобы электрод 2, выполненный в виде тонкой пленки располагался в сторону пациента предпочтительно так, чтобы его поверхность была расположена по направлению, близкому к нормальному относительно направления потока воздуха, выдыхаемого пациентом. При выдохе поток тепла, поступающего на чувствительный элемент 1 со стороны пленочного электрода 2, разогревает его и чувствительный элемент 1, в связи с чем ввиду разницы коэффициентов теплового расширения электрода 2 и пьезоэлектрической пластины 4, а также несимметричности прогрева электродов 2 и 3, что достигается расположением чувствительного элемента 1 в потоке тепла, а также выполнением электрода 2, расположенного в сторону пациента, пленочным, а электрода 3 на противоположной поверхности пьезоэлемента 4 теплоизолированным от электрода 2 слоем пьезоэлектрика 4, происходит микродеформация чувствительного элемента 1 (фиг.2). Эта микродеформация преобразуется пьезоэлектрической пластиной 4 в электрический заряд на электродах 2 и 3 чувствительного элемента, который поступает на вход регистратора 5 и отображается элементом индикации 6, в роли последних может быть использован, например, электронный осциллограф.

При этом на осциллографе фиксируется импульс напряжения, параметры которого (амплитуда, форма, длительность) зависят от параметров и динамики выхода, что позволяет при постоянстве расстояния до пациента и соответствующей калибровке оценивать функциональное состояние системы дыхания. После окончания выдоха и при вдохе происходит охлаждение электрода 2 и возвращение элемента 1 в исходное выпрямленное состояние, в результате чего на электродах 2, 3 образуется заряд и на осциллографе фиксируется импульс напряжения противоположной полярности, несущий информацию о вдохе. Амплитуда этих импульсов может достигать величины порядка сотен милливольт, в связи с чем не требуется дополнительного усиления сигнала датчика, и он может легко фиксироваться непосредственно осциллографом, стрелочным или цифровым вольтметром или самописцем.

Благодаря выполнению электрода 2 тонкопленочным и пьезокерамической пластины 4 в виде тонкого слоя толщиной не более 0,1 мм, нагрев и охлаждение их происходит за короткое время, значительно меньшее дыхательного цикла. В результате этого инерционность чувствительного элемента 1 мала и практически не сказывается на точности регистрации процесса дыхания.

В случае выполнения электродов 2 и 3 симметричными в виде одинаковых тонких пленок, но выполненных их различных электропроводящих материалов с различными коэффициентами теплового расширения, ориентация чувствительного элемента 1 относительно потока тепла может быть произвольной (фиг.3), но фиксированной в процессе мониторинга. В этом случае электроды 2 и 3 выполняют функцию параллельного биметаллического элемента. Некоторое время после начала работы (зависящее от толщины электрода 2 и 3 и пластины 4) температура пьезоэлектрического слоя 4 принимает установившееся значение (фиг.4), и деформация чувствительного элемента 1 начинает определяться практически величиной разности коэффициентов теплового расширения электродов 2 и 3. В результате сравнимых значений теплопроводности и теплоемкости металлических слоев электродов 2 и 3, теплопроводность которых одинаково высока, а теплоемкость мала, удается получить практически безынерционный чувствительный элемент 1. При повороте чувствительного элемента 3 плоскостью электродов 2 и 3 нормально по отношению к потоку тепла одним из электродов (2 или 3) в сторону пациента, датчик дыхания работает аналогично случаю выполнения электродов из одного материала.

При выполнении пластины пьезоэлектрика 4 в виде пьеэорезонатора, например из монокристалла горного хрусталя, тепловые деформации чувствительного элемента 1 будут приводить к пропорциональным сдвигам частоты собственного электромеханического резонанса чувствительного элемента 1. В этом случае регистратор 5 может содержать генератор 7 высокочастотных колебаний (порядка 30 МГц), входы частотнозадающего контура которого являются входами регистратора 5. При этом в соответствии с изменением частоты собственного электромеханического резонанса будет изменяться частота генерируемых колебаний. Эта девиация частоты, в точности отражающая процесс дыхания может измеряться и индицироваться частотомером, используемым в качестве индикатора 6, либо осциллографом по методу биений.

В случае, когда пьезокерамическая пластина 4 датчика дыхания выполнена совместно с пластиной 8 полупроводника (фиг.5) в одном межэлектродном пространстве, на которой выполнен низковольтный варикап, при расположении такого чувствительного элемента 1 в потоке тепла по фиг.1 или фиг.3 при выполнении электродов 2 и 3 однородными или разнородными, заряд, создаваемый деформируемой пьезокерамической пластиной 4, индуцирует напряжение на электродах 2 и 3, которое в соответствии с характером его изменений изменяет емкость сформированного в пластине 8 варикапа. Изменение емкости варикапа 8 обуславливает соответственную девиацию частоты генератора 7, поскольку емкость варикапа входит в частотнозадающий контур генератора 7. Это девиация частоты также отражает параметры процесса дыхания пациента и фиксируется индикаторным элементом 6, в качестве которого может быть использован частотометр.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными аналогами, в том числе с прототипом, обладает следующими преимуществами:
- значительной простотой и низкой себестоимостью по причине использования широкораспространенных высокотехнологических материалов низкой стоимости, в частности, пьезокерамики, а также отсутствием каких-либо движущихся механических соединений, за счет ведения дополнительных элементов, соединенных предлагаемым образом;
- высокой точностью измерения параметров дыхания и высокой степенью дистанционности, позволяющей осуществить бесконтактный мониторинг дыхания на расстоянии до 0,5 метров от пациента, за счет высокой чувствительности датчика, не уступающей или даже превосходящей чувствительность и точность пироэлектрических датчиков, себестоимость которых на несколько порядков превышает себестоимость предлагаемого датчика;
- высокой надежностью за счет бесконтактности и отсутствия подвижных механических частей;
- значительными величинами выходных напряжений, позволяющих обходиться без дополнительного усиления;
- возможность высокой вариативности конфигурации и размеров чувствительного элемента, что позволяет расширить область его применения.

Источники информации
1. Патент РФ N 2013996, МКИ⁶ А 61 В 5/08, 1994.

2. Авторское свидетельство СССР, 1725830, МКИ⁶ А 61 В 5/08, 1992.

3. Авторское свидетельство СССР, 731957, МКИ⁶ А 61 В 5/08, 1980.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам контроля параметров дыхания в норме и патологии, и может быть использовано, например, для мониторинга текущего функционального состояния в палатах интенсивного наблюдения, а также для контроля за состоянием человека-оператора, например, в космическом полете. Техническим результатом изобретения является снижение стоимости и упрощение при одновременном повышении точности и надежности за счет введения элементов, позволяющих исключить из конструкции какие-либо движущиеся механические части, и реализации эффекта, моделирующего пироэлектрический эффект в обычных пьезоэлектриках, не обладающих пироэлектрическими свойствами, а также за счет повышения амплитуды выходного напряжения. Датчик содержит чувствительный элемент, соединенный через электрические контакты с регистратором. Чувствительный элемент представляет собой тонкую пластину пьезоэлектрика с нанесенными на ее поверхности металлическими электродами, по меньшей мере один из электродов выполнен в виде напыленной тонкой пленки, а электроды выполнены из разнородных электропроводящих материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Пластина пьезоэлектрика может состоять из двух или более тонких слоев разнородных пьезоэлектриков, имеющих различные коэффициенты теплового расширения, нанесенные друг на друга. При этом площадь пластины пьезоэлектрика выбирают меньше площади электродов, а в межэлектродном пространстве, свободном от пластины пьезоэлектрика, располагают пластину полупроводника, контактирующую с электродами, толщина которой равна толщине пластины пьезоэлектрика. В полупроводниковой пластине может быть выполнен варикап. Пластина пьезоэлектрика является пьезорезонатором, а регистратор содержит генератор, частотозадающие входы которого являются входами регистратора, и частотомер, вход которого соединен с выходом генератора. Во время работы чувствительный элемент располагают так, чтобы он находился в потоке выдыхаемого воздуха на расстоянии от пациента. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Датчик дыхания, содержащий чувствительный элемент, соединенный через электрические контакты с регистратором, отличающийся тем, что чувствительный элемент представляет собой тонкую пластину пьезоэлектрика с нанесенными на его поверхности металлическими электродами, по меньшей мере, один из электродов выполнен в виде напыленной тонкой пленки, а электроды выполнены из разнородных электропроводящих материалов с различными коэффициентами теплового расширения.2. Датчик дыхания по п.1, отличающийся тем, что пластина пьезоэлектрика состоит из двух или более тонких слоев разнородных пьезоэлектриков, имеющих различные коэффициенты теплового расширения, нанесенные друг на друга.3. Датчик дыхания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что площадь пластины пьезоэлектрика меньше площади электродов, а в межэлектродном пространстве, свободном от пластины пьезоэлектрика, расположена пластина полупроводника, контактирующая с электродами, толщина которой равна толщине пластины пьезоэлектрика.4. Датчик дыхания по пп.1-3, отличающийся тем, что в полупроводниковой пластине выполнен варикап.5. Датчик дыхания по пп.1-4, отличающийся тем, что пластина пьезоэлектрика является пьезорезонатором, а регистратор содержит генератор, частотозадающие входы которого являются входами регистратора, и частотомер, вход которого соединен с выходом генератора.