Ультразвуковой спирограф Российский патент 2024 года по МПК A61B5/87 A61B5/91 G01F1/66 

Изобретение относится к медицине, а именно к области измерений для диагностических целей и может быть использовано для исследования функции внешнего дыхания в норме и патологии, как для индивидуального пользования, так и в составе телемедицинских комплексов слежения за состоянием дыхательной системой больных хроническими бронхо-легочными заболеваниями.

Известен ультразвуковой спирометр [ЕР 597060 В1, МПК А61В 5/087; А61В 5/091; G01F 1/66, опубл. 16.04.1997], выбранный в качестве аналога, содержащий корпус с измерительной трубкой внутри. Измерительная трубка изнутри выполнена с двумя отводами-ячейками, которые расположены с наклонным или перпендикулярным выравниванием к оси воздуховода. В одной ячейке размещен передатчик, а в другой - приемник ультразвукового сигнала. В измерительную трубку может быть вставлен с точной посадкой, легко заменяемый стерильный воздуховод. Стерильный воздуховод, вставленный в измерительную трубку, на переходе между ним и испытательным участком имеет испытательные окна, так что вставки вставляются в соответствующие отверстия, прозрачные для акустических волн, но непроницаемые для микроорганизмов и грязи. Вставки выполнены или из упругого полимера, или могут состоять из пластин из листов терефталата полиэтилена.

Такое техническое решение не обеспечивает необходимой точности измерений без периодической калибровки.

Известен дыхательный расходомер [US 4425805 А, МПК А61В 5/08; G01F 1/66; G01P 5/00, опубл. 17.01.1984], выбранный в качестве аналога, содержащий: трубопровод, через который протекают выдох и вдох; пару углублений, образованных на внутренней стенке трубопровода вдоль линии, наклоненной относительно направления потока дыхательного газа; пару ультразвуковых преобразователей, размещенных в указанных углублениях, причем их ультразвуковые передающие и приемные поверхности противоположно обращены друг к другу вдоль указанной линии; средство одновременного переключения указанных ультразвуковых преобразователей между режимом возбуждения и режимом приема; средство цифрового счета для измерения любого из двух времен распространения, требуемых для ультразвуковой волны, излучаемой одним из упомянутой пары управляемых преобразователей для достижения другого преобразователя, и разности между упомянутыми двумя временами распространения; средство для определения направления потока упомянутого дыхательного газа; средство для генерации сигнала для запроса вычисления скорости потока дыхательного газа каждый раз, когда упомянутая пара преобразователей приводится в действие; средство для сохранения упомянутого направления потока, упомянутых двух времен распространения и упомянутой разности времени распространения в ответ на упомянутый сигнал запроса вычисления; и средство для расчета и сохранения скорости потока упомянутого дыхательного газа на основе упомянутых сохраненных значений. Для предотвращения конденсации на периферии трубопровода и вокруг ультразвуковых преобразователей размещен электрический нагреватель. Средство для вычисления и хранения скорости потока дыхательного газа включает в себя арифметический процессор. Недостатками этого устройства являются:

малое отношение сигнал/шум импульсного метода измерения вследствие того, что необходимо детектировать появление импульса;

необходимость измерения угла сдвига фаз между сигналами с очень высокой абсолютной точностью, при этом максимальное дрожание фазы тактового сигнала не должно превышать 500 пс.

Как следствие, такие устройства дороги в производстве и требуют периодической калибровки для коррекции отклонений частоты генератора тактовых импульсов.

Известен спирометр [RU 193583 U1, МПК А61В 5/08 (2006.01), опубл. 06.11.2019], выбранный в качестве прототипа, содержащий измерительную трубку с двумя отводами наружу, расположенными наклонно относительно направления дыхательного потока, в отводах расположены ультразвуковые преобразователи, блок расчета скорости потока воздуха, измерительная трубка расположена внутри корпуса, на входе измерительной трубки установлен мундштук, внутри измерительная трубка разделена перегородкой, проходящей вдоль ее оси, с образованием двух равных каналов, причем каждый канал выполнен с двумя отводами в наружу, которые расположены противоположно и соосно друг другу, все отводы выполнены под углом не более 30° к продольной оси измерительной трубки так, что отводы, расположенные в разных каналах параллельны друг другу попарно, причем в одном канале в отводе, расположенном со стороны выхода измерительной трубки, расположен первый излучатель ультразвукового сигнала, а в отводе, расположенном со стороны входа измерительной трубки, расположен первый приемник ультразвукового сигнала, во втором канале в отводе, расположенном со стороны входа в измерительную трубку, расположен второй излучатель ультразвукового сигнала, а в отводе, расположенном со стороны выхода измерительной трубки, расположен второй приемник ультразвукового сигнала, при этом излучатели и приемники, расположенные рядом, в параллельных друг другу отводах, изолированы прокладками; излучатели подключены к генератору, к первому приемнику, вы последовательно подключены первый усилитель сигналов и первый компаратор; к второму приемнику последовательно подключены второй усилитель сигналов и второй аналого-цифровой преобразователей, первый и второй аналого-цифровые преобразователи подключены к блоку расчета, который соединен с радиопередатчиком, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, генератор, блок расчета и радиопередатчик подключены к источнику питания.

Недостатком устройства является сложность изготовления акустического тракта, вызванная необходимостью обеспечения одинаковых размеров акустического тракта первого и второго каналов, обеспечения акустической развязки между этими каналами, низкая точность, обусловленная отсутствием измерения температуры, а также ограниченный диапазон измерения скорости потока, обусловленный максимальным сдвигом фаз 360 градусов.

Техническим результатом предложенного устройства является упрощение конструкции измерительной трубки, повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых скоростей.

Предложенный спирометр, также как в прототипе, содержит измерительную трубку с отводом наружу, расположенный наклонно относительно направления дыхательного потока, в котором расположены ультразвуковые сенсоры, блок расчета скорости потока, измерительная трубка расположена внутри корпуса, на входе измерительной трубки установлен мундштук, отводы выполнены под углом не более 30° к продольной оси измерительной трубки, в каждом отводе расположены по одному ультразвуковому сенсору, каждый из которых подключен к генератору, усилитель и блок расчета, который связан с блоком управления.

Согласно изобретению спирометр дополнительно содержит второй генератор, каждый генератор подключен к блоку управления, ультразвуковому сенсору и диодному ограничителю, который последовательно связан с усилителем, компаратором, таймером и блоком расчета потока, второй вход каждого компаратора подключен к источнику опорного напряжения, датчик температуры, расположенный в измерительной трубке и подключенный к блоку расчета скорости потока, ультразвуковые сенсоры работают в совмещенном режиме с использованием время - импульсного способа.

Таким образом использование второго генератора, датчика температуры, двух диодных ограничителей, дух компараторов, двух таймеров, источника опорного напряжения и ультразвуковых сенсоров, работающих в совмещенном режиме с использованием время - импульсного способа, позволяет упростить конструкцию измерительной трубки, повысить точность измерения и увеличить диапазон измеряемых скоростей.

На фиг. 1 приведена конструкция измерительной трубки.

На фиг. 2 приведена структурная схема заявляемого устройства.

Спирометр содержит выполненный заедино корпус 1 (фиг. 1) с измерительной трубкой 2 внутри. На входе измерительной трубки 2 установлен съемный мундштук 3. Измерительная трубка выполнен с двумя цилиндрическими отводами 4 и 5 наружу, которые расположены противоположно и соосно друг другу. Отводы 4 и 5 выполнены под углом а, который составляет не более 30° к продольной оси измерительной трубки 2.

В отводах 4 и 5 установлены ультразвуковые сенсоры первый 6 (Д1) и второй 7 (Д2). Первый ультразвуковой сенсор 6 (Д1) подключен к первому генератору 8 (Г1), вырабатывающему одиночный импульс длительностью 6 мкс, а также к первому диодному ограничителю 9 (ДО1). Выход первого диодного ограничителя 9 (ДО1) подключен к последовательно соединенным первому усилителю 10 (У1), первому компаратору 11 (К1), первому таймеру 12 (Т1) и блоку расчета скорости потока 13 (БРСП). Второй ультразвуковой сенсор 7 (Д2) подключен к второму генератору 14 (Г2), вырабатывающему одиночный импульс длительностью 6 мкс, а также к второму диодному ограничителю 15 (ДО2). Выход второго диодного ограничителя 15 (ДО2) подключен к последовательно соединенным второму усилителю 16 (У2), второму компаратору 17 (К2), второму таймеру 18 (Т2) и блоку расчета скорости потока 13 (БРСП). Выход блока расчета скорости потока 13 (БРСП) связан с блоком управления 19 (БУ), который имеет связь с первым генератором 8 (Г1), вторым генератором 14 (Г2), датчиком температуры 20 (ДТ) и индикатором 21 (И). Первый таймер 12 (Т1) имеет связь с первым генератором 8 (Г1), с блоком управления 19 (БУ), который связан с вторым таймером 18 (Т2), который соединен с вторым генератором 14 (Г2). Источник опорного напряжения 22 (ИОН) связан с первым 11 (К1) и вторым 17 (К2) компараторами.

В качестве ультразвуковых сенсоров 6 (Д1) и 7 (Д2) могут быть использованы ультразвуковые излучатели и приемники производителя MURATA модели MA40S4S и MA40S4R. Генераторы 8 (Г1) и 16 (Г2) могут быть выполнены на микросхеме NE555. Диодные ограничители 9 (ДО1) и 15 (ДО2) выполнены на встречно включенных двух диодах КД503. Усилители 10 (У1) и 16 (У2) могут быть выполнены на операционном усилителе широкого применения, например, К140УД6. Компараторы 11 (К1) и 17 (К2) выполнены на микросхемах К554СА3. Таймеры 12 (Т1) и 18 (Т2), блок расчета скорости потока 13 (БР), блок управления 19 (БУ) могут быть выполнены на микроконтроллере серии STM32F302CB. Источник опорного напряжения 22 (ИОН) может быть выполнен на микросхеме REF192. Датчик температуры 20 (ДТ) может быть выполнен на микросхеме ds18b20. Индикатор 21 (И) может быть выполнен на семисегментных индикаторах, например, АЛС324. Для управления устройством может быть предусмотрено наличие кнопки, подключенной к блоку управления 19 (БУ). Устройство работает следующим образом:

К измерительной трубке 2 подсоединяют сменный одноразовый мундштук 3, обеспечивающий выполнения гигиенических требований к проведению спирометрии.

Во время выполнения дыхательных движений, поток воздуха движется по измерительной трубке 2, при этом скорость потока воздуха зависит от площади поперечного сечения измерительной трубки 2 и разности давлений на ее входе и выходе.

При выполнении дыхательных движений воздух движется по измерительной трубке 2, при этом давление на открытом конце измерительной трубки равно атмосферному. Ультразвуковые сенсоры 6 (Д1) и 7 (Д2) генерируют ультразвуковые колебания на резонансной частоте. Ультразвуковой сигнал первого ультразвукового сенсора 6 (Д1) распространяется под углом а, равным, например, 30° к продольной оси трубки 2. Время, за которое сигнал первого ультразвукового сенсора 6 (Д1) достигает второго ультразвукового сенсора 7 (Д2), определяется скоростью распространения звука в воздухе, расстоянием между ультразвуковыми сенсорами 6 (Д1) и 7 (Д2), а также скоростью движения потока воздуха.

Время, за которое сигнал второго ультразвукового сенсора 7 (Д2) достигает первого ультразвукового сенсора 6 (Д1), определяется скоростью распространения звука в воздухе, расстоянием между ультразвуковыми сенсорами 6 (Д1) и 7 (Д2), а также скоростью движения потока воздуха.

За счет движения воздуха в трубке 2 возникает разница во времени распространения сигнала. Для измерения разницы во времени распространения принятые сигналы усиливают соответствующими усилителями 10 (У1) и 16 (У2), подают на соответствующие компараторы 11 (К1) и 17 (К2), выходные сигналы с компараторов подают в блок расчета скорости потока 13 (БРСП), где определяют скорость потока каждый раз, когда приводится в действие пара преобразователей. Время распространения ультразвукового сигнала против потока определяется по формуле:

де t₁ - время распространения ультразвуковой волны по потоку, L - расстояние между ультразвуковыми датчиками, С - скорость распространения ультразвука, α - угол наклона датчиков к продольной оси трубки 2.

Время распространения ультразвукового сигнала против потока определяется по формуле:

где t₂ - время распространения ультразвуковой волны против потока.

Используя формулы для нахождения времени распространения ультразвуковых сигналов по потоку и против потока можно найти скорость распространения ультразвукового сигнала и скорость потока:

Однако скорость распространения ультразвукового сигнала зависит от температуры:

С(Т)=С₀+αТ,

где С₀ - скорость распространения ультразвука при нулевой температуре, α - температурный коэффициент, равный для воздуха, Т - температура воздуха.

При вдохе температура воздуха соответствует температуре окружающей среды, а при выдохе температура соответствует температуре тела человека, поэтому скорость распространения ультразвукового сигнала будет разной при вдохе и выдохе и соответственно будет разной и скорость потока, и как следствие разный объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Для правильного определения объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха необходимо сделать пересчет скорости распространения ультразвукового сигнала на нулевую температуру и затем рассчитать скорость потока при нулевой температуре:

В итоге получается массив значений скорости потока Q_i каждый раз, когда приводится в действие пара преобразователей. Данный массив Q_i используют для определения объема вдыхаемого и выдыхаемого пользователем воздуха по уравнению:

где Q_i - скорость потока воздуха в момент времени i; S - площадь поперечного сечения измерительного канала.

Изобретение относится к медицине. Ультразвуковой спирограф содержит измерительную трубку с двумя отводами наружу, расположенными наклонно относительно направления дыхательного потока, под углом равным 30° к продольной оси измерительной трубки, в каждом отводе расположено по одному ультразвуковому сенсору, блок расчета скорости потока, который связан с блоком управления, усилитель, каждый из ультразвуковых сенсоров подключен к генератору, каждый генератор подключен к блоку управления, причем первый ультразвуковой сенсор подключен к первому генератору, к первому диодному ограничителю, выход первого диодного ограничителя подключен к последовательно соединенным первому усилителю, первому компаратору, первому таймеру и блоку расчета скорости потока, второй ультразвуковой сенсор подключен ко второму генератору, ко второму диодному ограничителю, выход второго диодного ограничителя подключен к последовательно соединенным второму усилителю, второму компаратору, второму таймеру и блоку расчета скорости потока, при этом второй вход каждого компаратора подключен к источнику опорного напряжения, устройство дополнительно содержит датчик температуры, расположенный в измерительной трубке и подключенный к блоку расчета скорости потока, при этом ультразвуковые сенсоры выполнены с возможностью работы в совмещенном режиме с использованием время-импульсного способа. Техническим результатом является упрощение конструкции измерительной трубки, повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых скоростей. 2 ил.

Ультразвуковой спирограф содержит измерительную трубку с двумя отводами наружу, расположенными наклонно относительно направления дыхательного потока, под углом, равным 30°, к продольной оси измерительной трубки, в каждом отводе расположено по одному ультразвуковому сенсору, блок расчета скорости потока, который связан с блоком управления, усилитель, при этом измерительная трубка расположена внутри корпуса, на входе измерительной трубки установлен мундштук, каждый из ультразвуковых сенсоров подключен к генератору, дополнительно содержит второй генератор, каждый генератор подключен к блоку управления, причем первый ультразвуковой сенсор подключен к первому генератору, к первому диодному ограничителю, выход первого диодного ограничителя подключен к последовательно соединенным первому усилителю, первому компаратору, первому таймеру и блоку расчета скорости потока, второй ультразвуковой сенсор подключен ко второму генератору, ко второму диодному ограничителю, выход второго диодного ограничителя подключен к последовательно соединенным второму усилителю, второму компаратору, второму таймеру и блоку расчета скорости потока, при этом второй вход каждого компаратора подключен к источнику опорного напряжения, устройство дополнительно содержит датчик температуры, расположенный в измерительной трубке и подключенный к блоку расчета скорости потока, при этом ультразвуковые сенсоры выполнены с возможностью работы в совмещенном режиме с использованием время-импульсного способа.