Акустический метод определения минутного объема дыхания водолаза под водой Российский патент 2024 года по МПК A61B5/91 A61B5/205 

Изобретение относится к медицине, а именно, к оценке состояния органов дыхания, и может быть использовано для контроля за физиологическим состоянием водолазов с подводным дыхательным снаряжением открытого цикла.

В условиях атмосферы дыхание, как известно, осуществляется рефлекторно (6-8 л/мин в покое), обеспечивая необходимое содержание кислорода и двуокиси углерода (CO₂) в организме человека. Двуокись углерода является побочным продуктом метаболизма кислорода в клетках организма. CO₂ диффундирует из тканей в венозную кровь и переносится в легкие, где проникает из крови в альвеолы и выдыхается. Управление этим процессом, полностью зависит от вентиляции легких. Усиленная вентиляция удалит больше CO₂ из альвеол и наоборот, низкая вентиляция ведет к уменьшению удаления CO₂ из альвеол и из крови. Количество CO₂, выводимого из организма, прямо пропорционально вентиляции. При водолазном погружении парциальное давление двуокиси углерода часто становится выше нормы (гиперкапния) даже при соблюдении правил погружения и исправном оборудовании. Повышенное парциальное давление двуокиси углерода может усилить действие инертного газа как наркоза, усилить риск кислородного отравления и вызвать неприятные симптомы, такие как одышка, спутанность сознания, чувство тревоги, что в конечном итоге может приводить к потере сознания под водой [Doolette DJ, Mitchell SJ. Hyperbaric conditions. Comprehensive Physiol. 2011; 1: 163-201].

Одним из основных количественных параметров при исследовании легочной вентиляции дыхательной системы является минутный объем дыхания (МОД), оцениваемый как количество литров дыхательной смеси, прошедших через легкие за одну минуту (л/мин). Определено, что при погружении легочная вентиляция водолаза, характеризуемая как МОД, находится в диапазоне от 7,5 л/мин (при отдыхе) до 60 л/мин (при нагрузке (перемещение со скоростью 1,2 узла) с учетом BTPS коррекции (коррекция с учетом внешнего давления, температуры и влажности дыхательной смеси). Значение ниже этого диапазона показывает, что дыхание водолаза затруднено, превышение диапазона будет индикатором утечки дыхательной смеси (ГОСТ Р 52639-2006).

Традиционно водолазом, даже в рекреационном(любительском) погружении ведется журнал самоконтроля (Diving LogBook) куда заносится профиль погружения, температура воды, состав дыхательной смеси, особенности погружения, сведения о самочувствии. Самоконтроль МОД, осуществляемый водолазом при погружении, позволяет учитывать изменения потребления дыхательной смеси при различных условиях погружения, индивидуальных реакциях на физическую нагрузку, наличие стресса во время погружений, воздействия внешней среды (температура, течения) и самому не допускать опасных состояний в самочувствии.

Известен способ оценки состояния вентиляционной функции легких человека, прошедшее после неблагоприятных воздействий путем сравнения продолжительности шумов форсированного выхода, зарегистрированных на трахее в полосе частот 200-2000 Гц до и после воздействия, и при превышении полученной величиной порогового значения фиксируют наличие негативных изменений в вентиляционной функции легких в ответ на неблагоприятное воздействие (п. РФ №2405429С1). Однако, способ оценивает вентиляционную функцию легких человека не в процессе погружения, а только после подъема водолаза и не может оценить МОД.

Известна автоматическая система с алгоритмом, который определяет частоту дыхания водолаза, используя сигнал датчиков давления с редуктора дыхательного аппарата. Система подает с помощью зуммера сигналы тревоги сопровождающим погружение при отсутствии дыхания, при слишком высокой частоте дыхания и неправильного ритма дыхания. Система также регистрирует отклонение давления редуктора от нормы перед погружением и сигнализирует миганием светодиодов и звуком, но не позволяет определять значения МОД и требует вмешательства в конструкцию дыхательной арматуры дыхательного аппарата для установки датчика давления (Altepe C. et al. Design and validation of a breathing detection system for scuba divers // Sensors. - 2017. - Т. 17. - №. 6. - С. 1349).

Известны способы определения легочной вентиляции человека путем определения МОД по данным датчиков потока, которые встраиваются в дыхательные трубки аппарата искусственной вентиляции легких (ИВЛ), однако размещение таких датчиков в подводном дыхательном аппарате является вмешательством в конструкцию с нарушением целостности трактов дыхательного аппарата (п. РФ №2665624С1).

Известен способ выделения шумов дыхания водолаза с подводным аппаратом открытого цикла дыхания устройствами, не нарушающими целостность трактов дыхательного аппарата, при этом регистрирующее шумы устройство может быть как автономным, например диктофон, помещенный под водолазный костюм с последующим перенесением данных на компьютер, либо гидрофон, сигналы с которого в реальном времени передаются обеспечивающему водолазные спуски (п. № РФ №2625274С1). Зарегистрированные шумы дыхания водолаза раздельно фильтруют для выделения шумов вдоха в полосе частот свыше 1 кГц, а для выделения шумов выдоха в полосе частот до 500 Гц. Затем детектируют каждый фильтрованный сигнал. Сглаживают полученный сигнал, получая огибающую. По превышению уровня огибающей над фоном определяют фазы дыхания. Продолжительность фазы дыхания вычисляют как временной промежуток между начальным и конечным моментом времени вдоха или выдоха. Способ позволяет объективно определить продолжительность фаз вдоха и выдоха в каждом цикле дыхания в каждый момент времени пребывания водолаза под водой за счет раздельной фильтрации дыхательных шумов, однако способ не позволяет определять МОД.

Таким образом, все известные способы для оценки состояния органов дыхания водолазов под водой позволяют оценивать его либо по частоте дыхания, либо оценивать изменение вентиляционной функции легких водолаза после окончания водолазного погружения, либо для оценки МОД требуется размещение дополнительных датчиков в водолазном снаряжении, что будет являться вмешательством в конструкцию аппарата и потребует дополнительных испытаний работы водолазного оборудования разных производителей с датчиками легочной вентиляции.

Таким образом стоит техническая проблема - объективный контроль состояния водолаза под водой по данным МОД.

Технический результат - повышение оперативности способа определения легочной вентиляции водолаза по МОД без вмешательства в конструкцию дыхательного аппарата.

Проблема решается предлагаемым акустическим методом определения минутного объема дыхания водолаза под водой, при котором предварительно определяют значение непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси дыхательного аппарата водолаза, акустическим способом регистрируют шумы дыхания водолаза, выделяют шумы вдоха, определяют продолжительность шумов вдоха за одну минуту и вычисляют минутный объем дыхания водолаза под водой как произведение суммарной продолжительности шумов вдоха за одну минуту умноженную на значение скорости непрерывной принудительной подачи дыхательной смеси.

Заявляемый метод предоставит возможность вести контроль за состоянием водолаза под водой на основе одного из основных физиологических параметров дыхания при погружении под воду - минутного объема дыхания, при этом без вмешательства в конструкцию трактов дыхательной арматуры аппарата. Кроме этого, данный метод может быть реализован как дополнительный модуль регистрации легочной вентиляции, расположенный со стороны руководителя погружения; как дополнительная функция определения легочной вентиляции в декомпрессионном компьютере для самоконтроля водолазом. Способ также может быть реализован в самостоятельном устройстве регистрации легочной вентиляции с надводным модулем и погружаемом под воду гидрофоном на удалении от водолаза, а также внедрить технику оценки легочной вентиляции в техническом и любительском дайвинге.

Известно, что значение МОД зависит от уровня физической нагрузки и имеет линейную связь со скоростью потребления кислорода, что позволяет оценивать скорость обмена веществ, то есть в какой то мере оценить нагрузку на водолаза (Gourley J.: Fourteen: Tracking absorbent through oxygen consumption. In: Mount T, Dituri J. Exploration and mixed gas diving Encyclopedia. IAND Inc./IANTD, pp. 181-184 (2008). Учет влияния физической нагрузки на метаболизм позволит уточнять математическую модель расчета декомпрессионных / бездекомпрессионных таблиц в реальном времени.

Способ может быть реализован на любом дыхательном оборудовании использующим сжатую дыхательную смесь и поступающую в дыхательные пути через редуктор высокого давления на каждый вдох. Способ оценки значения непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси дыхательного аппарата перед погружением, как правило, указывается производителем в паспорте к водолазному снаряжению.

Шумы дыхания водолаза регистрируют любым доступным акустическим способом, например, с помощью микрофона системы звукоподводной связи, удаленным гидрофоном (Экспериментальные исследования возможности обнаружения дыхательных шумов легководолазов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2015, т. 8, №4. С. 67-71), датчиком, встроенным в декомпрессионный компьютер. Из зарегистрированных шумов водолаза, например, фильтрацией в полосе частот свыше 1 кГц (п. РФ №2625274) или сравнением сигнала шумов дыхания с моделью шума вдоха (п. США №7139701 В2) выделяют шумы вдоха. Продолжительность шумов вдоха оценивается, например, по превышению уровня сигнала над фоном (п. РФ №2625274), либо по интервалу между фронтами в начале и при окончании вдоха, либо схожестью с моделью шумов вдоха (п. США №9186070 В2).

Выполнена натурная апробация предложенного способа (Костив А.Е. Шум при дыхании водолаза в оборудовании со шланговой подачей дыхательной смеси // Noise Theory and Practice. 2023. №3 (34), (дата подписания в печать 30.09.2023). Продолжительность шумов вдоха определялась по наличию фронтов в начале и окончании вдоха с использованием спектрограммы. Водолаз находился под водой со средней частотой дыхания 17 дыхательных циклов в минуту и средней продолжительностью (и стандартным отклонением) вдоха 1,13 (0,3) секунды при На Фиг. 1 представлен фрагмент записи в виде спектрограммы шумов трех дыхательных циклов. Каждый цикл состоит (слева направо) из выдоха, вдоха и задержки дыхания. В одном из циклов дыхания вдох показан прямоугольником. Средняя легочная вентиляция, оцененная акустическим способом, составила 29 л/мин, что по сведениям, приведенным в работе Gourley J.: Fourteen: Tracking absorbent through oxygen consumption. In: Mount T, Dituri J. Exploration and mixed gas diving Encyclopedia. IAND Inc./IANTD, pp. 181-184, 2008 может свидетельствовать об умеренной нагрузке, соответствующей промежуточному значению между физической нагрузкой при активном перемещении в барокамере и по морскому дну. (Фиг. 2).

Изобретение относится к медицине, а именно к оценке состояния органов дыхания, и может быть использовано для контроля за физиологическим состоянием водолазов с подводным дыхательным снаряжением открытого цикла. Заявлен акустический метод, который предоставляет возможность вести контроль за состоянием водолаза под водой на основе одного из основных физиологических параметров дыхания при погружении под воду - минутного объема дыхания (МОД), при этом без вмешательства в конструкцию трактов дыхательной арматуры аппарата. Метод включает предварительное определение величины непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси используемого дыхательного аппарата, регистрацию шумов дыхания водолаза, выделение шумов вдоха и определение продолжительности шумов вдоха за одну минуту. Вычисление минутного объема дыхания водолаза под водой осуществляют как результат суммарной продолжительности шумов вдоха за одну минуту, умноженной на значение скорости непрерывной принудительной подачи дыхательной смеси. Изобретение обеспечивает повышение оперативности способа определения легочной вентиляции водолаза по МОД без вмешательства в конструкцию дыхательного аппарата. 2 ил.

Акустический метод определения минутного объема дыхания водолаза под водой, включающий предварительное определение значения непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси используемого дыхательного аппарата, регистрирование акустическим способом шумов дыхания водолаза, выделение шумов вдоха, определение продолжительности шумов вдоха за одну минуту и вычисление минутного объема дыхания водолаза под водой как результат суммарной продолжительности шумов вдоха за одну минуту, умноженной на значение скорости непрерывной принудительной подачи дыхательной смеси.