Аппаратно-программный комплекс для исследования регуляции дыхания и тренировки респираторной системы Российский патент 2024 года по МПК A61B5/08 

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для исследования регуляции дыхания и тренировки респираторной системы человека. Разработанный аппаратно-программный комплекс предназначен для применения в поликлинических условиях, в ограниченных замкнутых объемах, пребывание человека в которых может быть сопряжено с изменениями чувствительности дыхательного центра к дыхательным газам (О₂ и СО₂) в измененной газовой среде, а также в специализированных научно-исследовательских учреждениях для проведения экспериментов с целью исследования кардиореспираторной системы человека.

Нарушения внешнего дыхания, возникающие при хронических обструктивных болезнях легких, при астме, апноэ во время сна и других заболеваниях составляют значительную часть социально значимых заболеваний.

В последнее время активно публикуются данные, связанные с влиянием хронической прерывистой гипоксии на регуляцию дыхания, изменениями, возникающими при апноэ во время сна.

При этих и других заболеваниях часто возникают расстройства регуляции дыхания. Компенсация дыхательной недостаточности в значительной степени определяется характеристиками системы регуляции дыхания. Хотя в настоящее время разработаны методики определения чувствительности дыхания человека к углекислому газу и кислороду, они практически не используются, так как требуют выполнения большого количества манипуляций. Кроме того, важной проблемой остается плохая сопоставимость результатов, полученных с помощью разных методик.

Влияние экстремальных условий, таких как при аварийных работах в шахтах или при глубоководных погружениях, во время космических полетов, могут изменить реакцию системы дыхания на CO2 и O2 и другие газы.

Исследования дыхания в таких условиях выявили новые факты, указывающие на необходимость дополнительного исследования регуляции дыхания, в том числе у водолазов при глубоководных погружениях, шахтеров, работающих в средствах индивидуальной защиты и у космонавтов в ходе космического полета. В частности, в космическом полете выявлено увеличение продолжительности задержки дыхания, причины которого остаются гипотетическими.

Особую практическую пользу исследования регуляции дыхания представляют для разработки средств индивидуальной защиты органов дыхания, используемых при различных непригодных для нормальной жизнедеятельности человека условиях, таких как при обрушении шахт и других катастрофах.

Также существует необходимость исследования вентиляционной реакции для клинических целей, например, у больных с нарушением дыхания во время сна.

Известны следующие устройства для оценки состояния системы регуляции дыхания:

- для оценки ответа дыхательного центра в условиях гипербарии (Яхонтов Б.О., Шулагин Ю.А. Вентиляторная реакция на СО₂ у водолазов при действии различных гипербарических факторов В кн.: "Гипербарическая медицина" материалы VII Международного Конгресса по гипербарической медицине, 2-6 сентября 1981, т. 2, Изд, "Наука" М. 1983 г., с. 195-198; Суворов А.В. Внешнее дыхание и газообмен человека во время длительного пребывания в условиях гипербарии. Дисс. на соиск. уч.ст.к.м.н., Москва, ИМБП, 1986, 137 с.);

- аппаратно-программный комплекс (АПК) для определения влияния гиперкапнии на вентиляцию человека (Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Ермолаев Е.С., Гончаров А.О. Разработка метода оценки чувствительности дыхания человека к углекислому газу для применения в гравитационной физиологии // Технологии живых систем, 2012. Том 9, №10, стр. 14-22; Eugene S. Ermolaev, Alexander I. Dyachenkol, Yury A. Shulagin, Alexander O. Goncharov, Artem V. Demin. Effect of head-down human body position on chemoreflex control of Breathing // M. Long (Ed.): World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, IFMBE Proceedings, vol. 39, pp. 2068-2071, 2012. www.springerlink.com. ISSN: 1680-0737).

- аппаратно-программная экспериментальная установка для определения влияния гипоксии и гиперкапнии на вентиляцию человека в условиях невесомости (Prisk, G. Kim, Ann R. Elliott, and John B. West. Sustained microgravity reduces the human ventilatory response to hypoxia but not to hypercapnia. J Appl Physiol 88: 1421-1430, 2000).

- аппаратно-программный комплекс (АПК) для определения влияния кислорода и углекислого газа на вентиляцию человека (Duffin, J., 2007. Measuring the ventilatory response to hypoxia. J. Physiol. 584, p. 285-293.), развивающий классический метод Read D.J.C. A clinical method for assessing the ventilatory response to carbon dioxide. // Aust. Ann. Med. 1967, V. 16, N 1, P. 20-32.);

- автоматизированный аппаратно-программный комплекс для оценки состояния системы регуляции дыхания и способ его использования (Патент RU 2550127 С1 опуб. 10.05.2015, прототип).

Известные существующие устройства-аналоги имеют следующие недостатки:

1) необходимо дополнительное оборудование, в частности баллоны со сжатым углекислым газом и кислородом, что не позволяет использовать устройство везде, или предлагают использование громоздких устройств генерации кислорода,

2) скорости нарастания концентрации СО₂ и снижения концентрации О₂ определяются объемом мешка, трубок и легких человека, а также скоростью потребления кислорода и выделения углекислого газа, поэтому не могут произвольно варьироваться. Различия указанных характеристик обследуемых приводит к изменению общего количества газа, изменению общего давления в системе из смесительной камеры и трубок. Это в свою очередь приводит к различию скоростей нарастания СО₂, что может привести к неоднозначной интерпретации результатов. При этом общий объем рабочего контура избыточен и приводит к увеличению длительности проведения исследования. В контуре не предусмотрен контроль общего объема газа в результате газообмена испытуемого/пользователя/пациента, что приводит к ошибочным результатам в результате изменения давления в контуре,

3) плохая сопоставимость результатов, полученных с помощью разных методик,

4) не предлагают способов тренировки системы дыхания измененными газовыми смесями,

5) конструкторские решения с включенным в контур вдоха нагнетателем воздуха приводят к повышенной нагрузке на систему дыхания и искаженным результатам. Вибрации от работающего нагнетателя воздуха, а также разница давлений, возникающая на входе и выходе нагнетателя газовой смеси, подключенного к контуру вдоха и выдоха, соответственно, могут вызывать изменение нормального паттерна дыхания испытуемого/пользователя/пациента и неприятные ощущения,

6) длинные каналы вдоха и выдоха непропорциональной длины приводят к дополнительной нагрузке на систему дыхания,

7) устройства требуют участия оператора и не может быть использовано испытуемым/пользователем/пациентом без посторонней помощи,

8) устройство требует ручной калибровки,

9) маневры возвратного дыхания необходимо начинать со спокойного выдоха, чтобы избегать изменения общего количества газа в системе из смесительной камеры и трубок, и ложной интерпретации результатов. При этом подготовка к возвратному дыханию занимает существенное количество времени.

Задачей, решаемой в изобретении, явилась разработка аппаратно-программного комплекса, предназначенного для исследования и тренировки системы дыхания человека, устраняющего недостатки аналогов.

Достигаемый технический результат заключается:

- в исключении влияния вибрации и возникающей разницы давлений на входе и выходе нагнетателя газовой смеси, исключая его влияние на дыхательный паттерн, обеспечиваемый за счет разделения дыхательного блока от блока подготовки газовой смеси;

- в компенсировании изменения общего количества и давления газа в результате метаболического выделения и потребления газов в биотехнической системе, прибавляя или удаляя соответствующий недостаток или излишек газовой смеси для выравнивания баланса давлений в системе из смесительной камеры и жестких трубок, обеспечиваемый за счет включения в контур подготовки газовой смеси компенсаторной емкости;

- в упрощении конструкции комплекса;

- обеспечении возможности тренировки системы дыхания человека измененными газовыми смесями;

- использовании комплекса испытуемым/пользователем/пациентом без посторонней помощи путем выполнения команд, предлагаемых на сенсорном экране «тонкого» клиента (ТК).

Технический результат достигается за счет:

- Аппаратно-программного комплекса для исследования регуляции дыхания и тренировки респираторной системы, включающего:

А1 - дыхательный блок;

А2 - смесительный блок;

A3 -блок подготовки газовой смеси;

А4 - блок сбора, первичной обработки данных и управления системой,

А5 - блок обработки и хранения данных,

где дыхательный блок (А1) включает маску (М), соединенную через фильтр и влагосборник (Ф4) с клапанной коробкой (КК), контуры вдоха и выдоха, подключенные от клапанной коробки (КК) посредством соединительных трубок через многоходовой кран (МК1) непосредственно к смесительной камере (Ск) блока (А2), включающего герметичный корпус (Кп), соединенный с датчиком воздушного потока (ДВП), при этом смесительная камера (Ск), установлена в герметичном корпусе (Кп), блок подготовки газовой смеси (A3) состоит из соединенных между собой посредством трубок: нагнетателя газовой смеси (Hm), химического поглотителя (ХП) газовой смеси, регенеративного патрона (РП), многоходового крана (МК2), обратных клапанов (ОК) и компенсаторной емкости (КМ), блок подготовки газовой смеси (A3) выполнен в виде контура, замыкаемого на смесительную камеру (Ск) блока (А2) и размыкаемого на атмосферу, блок сбора, первичной обработки данных и управления системой (А4) включает тонкий клиент (ТК) с программным обеспечением, реализующим управление движением газов и их параметрами в блоках А1-A3, блоки управления электроприводами (БУЭ1-БУЭ4) для управления системой, газоанализаторы (ГА), датчик воздушного потока (ДВП), датчики измерения физиологических параметров, датчики давления, температуры и влажности (ДТВ), информация с которых посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) передается на тонкий клиент (ТК), а затем на блок обработки и хранения данных (А5).

- в качестве химического поглотителя (ХП) газовой смеси использован известковый химический поглотитель (ХПИ) углекислого газа (CO2).

- в качестве регенеративного патрона (РП) использован регенеративный патрон (РП) на основе супероксидов щелочных металлов (KO₂, NaO₂), содержащих химически связанный O2, выделяющийся в результате тепловыделяющей реакции, сопровождающейся пропорциональным поглощением CO₂ и паров воды, присутствующих в выдыхаемом воздухе.

- программное обеспечение для тонкого клиента (ТК) блока (А4) выполнено с возможностью контроля поглощения углекислого газа, подачи газов в контур до или во время проведения исследования.

- управление параметрами газов, такими как изменение потока через ХП и РП, скорость потока газов в системе, потока через многоходовой кран (МК2) блока (A3), переключение на режим свободного дыхания, осуществляется автоматически с учетом парциальных давлений кислорода и углекислого газа, скорости дыхательного потока и легочной вентиляции испытуемого/пользователя/пациента, а также в результате нажатия аварийного останова.

- нагнетатель газовой смеси (Hm) выполнен в виде крыльчатки на осевой передаче с герметичным уплотнением.

- смесительная камера (Ск) блока (А2) выполнена из нерастяжимого мягкого материала.

- смесительная камера (Ск) блока (А2) представляет собой быстро съемный и/или заменяемый и стерилизуемый полиуретановый нерастяжимый мешок-емкость.

- компенсаторная емкость (КМ) блока (A3) выполнена в виде шприца или мешка.

- блок обработки и хранения данных (А5) является сервером (С).

- программное обеспечение для сервера (С) блока (А5) выполнено с возможностью моделирования вентиляционных реакций на комбинированные гиперкапнические и гипоксические воздействия в различных положениях тела человека и/или в экстремальных условиях под действием внешней среды.

- тонкий клиент (ТК) является терминалом, программное обеспечение которого выполнено с возможностью беспроводной передачи данных на сервер (С).

- соединительные трубки контуров вдоха и выдоха выполнены жесткими с размерами сечения сопоставимыми с размерами сечения трахеи среднестатистического человека для обеспечения нормального дыхания без избыточного сопротивления.

- соединительные трубки контуров вдоха и выдоха выполнены равного сечения, длины и объема.

- компенсаторная емкость (КМ) бока (A3) выполнена с возможностью автоматической калибровки газоанализаторов (ГА), датчика воздушного потока (ДВП), температуры, давления и влажности (ДТВ), и сушки смесительной камеры и соединительных трубок.

- компенсаторная емкость (КМ) бока (A3) выполнена с возможностью предотвращения возникновения избыточного или разряженного давления в контурах вдоха и выдоха дыхательного блока (А1) и смесительном блоке (А2), в ответ на соответствующие сигналы от датчиков давления, температуры и влажности (ДТВ) бока (А4).

- регенеративный патрон (РП) снабжен средством активного или пассивного охлаждения и средством фильтрации газовых примесей (ФРП).

Разработанный аппаратно-программный комплекс включает:

- индивидуальную смесительную камеру (быстро съемный и/или заменяемый и стерилизуемый полиуретановый нерастяжимый мешок-емкость), которая исключает кросс контаминацию при использовании комплекса несколькими испытуемыми/пользователями/пациентами. Дыхание производится в смесительную камеру, что позволяет использовать индивидуальные мешки, отсутствует проблема дезинфекции корпуса внутри;

- компенсаторную емкость (шприц, мешок), позволяющую регулировать избыточное давление в системе (в результате изменения количества метаболических газов) и автоматически калибровать датчик воздушного потока;

- отдельные контуры дыхательного блока (А1) и блока подготовки газовой смеси (А2) исключают сопротивление дыханию человека при вдохе и выдохе;

- датчики давления, температуры и влажности позволяет более точно оценивать общие параметры газовой смеси в контуре.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Внешний вид Аппаратно-программного комплекса для исследования регуляции дыхания и тренировки респираторной системы

4) - клапанная коробка (КК),

6) - смесительная камера (Ск),

7) - соединительные трубки (СТ1…СТ4),

10) - многоходовой кран (МК2) с 5 входами/выходами, регулируемый электроприводом,

11) - герметичный корпус (Кп),

12) - нагнетатель газовой смеси с электроприводом (Hm),

13) - химический поглотитель (ХП) газовой смеси,

16) - тонкий клиент (ТК) с программным обеспечением,

19) - компенсаторная емкость (КМ),

25) - штанга держатель

На Фиг. 2 представлена принципиальная схема АПК:

А1 - дыхательный блок,

А2 - смесительный блок,

A3 -блок подготовки газовой смеси,

А4 - блок сбора, первичной обработки данных и управления системой,

А5 - блок обработки и хранения данных,

1) - датчик воздушного потока (ДВП),

2) - фильтры (Ф1…Ф3) и фильтр с влагосборником (Ф4),

3) - маска (М),

4) - клапанная коробка (КК),

5) - газоанализаторы (ГА) с датчиками O2 и CO2,

6) - смесительная камера (Ск),

7) - соединительные трубки (СТ1…СТ4),

8) - обратные клапаны (ОК),

9) - многоходовой кран (МК1) с 9 входами/выходами, регулируемый электроприводом,

10) - многоходовой кран (МК2) с 5 входами/выходами, регулируемый электроприводом,

11) - герметичный корпус (Кп),

12) - нагнетатель газовой смеси с электроприводом (Hm),

13) - химический поглотитель (ХП) газовой смеси,

14) - регенеративный патрон (РП),

15) - блок питания (БП),

16) - тонкий клиент (ТК) с программным обеспечением,

17) - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

18) - датчики давления, температуры и влажности (ДТВ),

19) - компенсаторная емкость (КМ),

20) - сервер (С),

21) - средство пассивного или активного охлаждения (О),

22) - датчики измерения физиологических параметров (ДФ),

23) - блоки управления электроприводами (БУЭ1-БУЭ4),

24) - средство фильтрации нежелательных газовых примесей (ФРП).

На фиг. 3 приведена информация, отражающаяся на терминале при определении вентиляционной реакции на CO2 при гипоксически-гиперкапническом возвратном дыхании, среди которой: Р O2 - парциальное давление O2, Р CO2 - парциальное давление CO2, F - скорость дыхательного потока, V - легочная вентиляция, t - время воздействия.

На* графике с легочной вентиляцией V изображена характерная вентиляционной реакция на CO2 при гипоксически-гиперкапническом возвратном дыхании, которая характеризуется приростом вентиляции в ответ на прирост Р CO2 регистрируемый датчиком газоанализатора в конечной порции выдыхаемого газа.

Дыхательный блок (А1)

Дыхательный блок включает маску (М) 3, соединенную через бактерицидный фильтр с влагосборником (Ф4) 2 с клапанной коробкой (КК) 4, контуры вдоха и выдоха, подключенные от клапанной коробки (КК) 4 посредством соединительных трубок (СТ1…СТ4) 7 через многоходовой кран (МК1) 9 непосредственно и по наименьшему пути к смесительной камере (Ск) 6.

Соединительные трубки (СТ1…СТ4) 7 контуров вдоха и выдоха выполнены жесткими с размерами сечения сопоставимыми с размерами сечения трахеи среднестатистического человека для обеспечения нормального дыхания без избыточного сопротивления, и выполнены равного сечения, длины и объема.

Смесительный блок (А2)

Смесительный блок включает герметичный корпус (Кп) 11, соединенный с датчиком воздушного потока (ДВП) 1, при этом смесительная камера (Ск) 6, установлена в герметичном корпусе (Кп) 11. Герметично замкнутый корпус (Кп) 11 связан с атмосферой через датчик воздушного потока (ДВП) 1. Смесительная камера (Ск) 6, выполненная из нерастяжимого мягкого материала (мешка), в герметично замкнутом корпусе (Кп) 11 изменяет объем в соответствии с дыхательными циклами человека. Подключенный к мешку датчик воздушного потока (ДВП) 1 позволяет регистрировать дыхательный поток испытуемого/пользователя/пациента. Так как контуры дыхательного блока (А1), смесительного блока (А2) и блока подготовки газовой смеси (A3), представляют собой единую замкнутую систему определенного объема, то во время вдоха ранее спавшийся нерастяжимый мешок (Ск) раздувается на объем вдоха и наоборот. Таким образом, совершаются дыхательные циклы во время возвратного дыхания вплоть до переключения на дыхание атмосферным воздухом.

Испытуемый/пользователь/пациент может начать режим возвратного дыхания в любой момент (после вдоха или выдоха). Компенсаторная емкость (КМ) 19 подстроится под начальные параметры возвратного дыхания, добавив или изъяв из блоков А1-А3 необходимое количество газовой смеси.

Смесительная камера (Ск) 6 представляет собой быстро съемный и/или заменяемый и стерилизуемый полиуретановый нерастяжимый мешок-емкость, объем которого немного превышает жизненную емкость легких среднего здорового мужчины. Мешки могут быть выполнены в соответствие с индивидуальными физиологическими характеристиками человека.

Блок подготовки газовой смеси (A3)

Блок подготовки газовой смеси состоит из соединенных между собой посредством трубок: нагнетателя газовой смеси (Hm) 12, химического поглотителя (ХП) газовой смеси 13, регенеративного патрона (РП) 14, многоходового крана (МК2) 10, обратных клапанов (ОК) 8 и компенсаторной емкости (КМ) 19, блок подготовки газовой смеси (A3) выполнен в виде контура, замыкаемого на смесительную камеру (Ск) 6 блока (А2) и размыкаемого через фильтр (Ф2) 2 на атмосферу. При этом в качестве химического поглотителя (ХП) газовой смеси 13 использован известковый химический поглотитель (ХПИ) углекислого газа (CO2), в качестве регенеративного патрона (РП) 14 использован регенеративный патрон (РП) на основе супероксидов щелочных металлов (KO₂, NaO₂), содержащих химически связанный O2, выделяющийся в результате тепловыделяющей реакции, сопровождающейся пропорциональным поглощением CO₂ и паров воды, присутствующих в выдыхаемом воздухе. Радиатор - средство пассивного охлаждения 21, на корпусе регенеративного патрона 14 или вмонтированного в корпус регенеративного патрона 14, который обменивается теплом с атмосферой, или/и с активным охлаждением посредством вентилятора (куллера) охлаждающего радиатор или корпус регенеративного патрона 14. В корпус регенеративного патрона вмонтировано средство фильтрации нежелательных газовых примесей (ФРП) 24, например воздушный фильтр грубой очистки. Нагнетатель газовой смеси (Hm) 12 выполнен в виде крыльчатки на осевой передаче с герметичным уплотнением.

Элементы блока A3 соединены между собой жесткими соединительными трубками с размерами сечения сопоставимыми с размерами сечения трахеи среднестатистического человека для обеспечения нормального дыхания без избыточного сопротивления. Блок A3 наполняется дыхательной газовой смесью определенного состава. Газораспределение регулируется выбором направлений потоков путем переключения системы многоходовых кранов (МК1 и МК2) 9 и 10, скоростью потока, создаваемого нагнетателем (Нт) 12, давлением в системе и начальными параметрами газовой смеси в блоках А1-A3 перед началом тестов или тренировки. Уменьшенный рабочий объем дыхательного блока А1 (до 30 литров) при отключенном ХП 13 обеспечивает высокую скорость наполнения системы углекислым газом, а регулируемое сечение потока через ХП 13, РП 14 и байпас посредством электроуправляемого многоходового крана (МК2) 10 и скорость потока посредством нагнетателя (Нт) 12 позволяют варьировать скорость наполнения системы и газовый состав в широком диапазоне.

Блок сбора, первичной обработки данных и управления системой (А4)

Блок сбора, первичной обработки данных и управления системой включает тонкий клиент (ТК) с программным обеспечением 16 (например, одноплатный компьютер, терминал), реализующим управление движением газов и их параметрами в блоках А1-A3, блоки управления электроприводами (БУЭ1-БУЭ4) 23 для управления системой, газоанализаторы (ГА) 5 с газозаборником и датчиками O2 и CO2, датчик воздушного потока (ДВП) 1, датчики измерения физиологических параметров 22, датчики давления, температуры и влажности (ДТВ) 18, информация с которых посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 17 передается на тонкий клиент (ТК) 16, а затем на блок обработки и хранения данных (А5).

Данный блок включает в себя программное обеспечение, осуществляющее управления газовым составом дыхательной смеси в режиме реального времени и программу для оценки состояния системы регуляции дыхания.

Компенсаторная емкость (КМ) 19 бока A3 выполнена с возможностью предотвращения возникновения избыточного или разряженного давления в контурах вдоха и выдоха дыхательного блока А1 и смесительном блоке А2, в ответ на соответствующие сигналы от датчиков давления, температуры и влажности (ДТВ) 18 бока А4. Также, компенсаторная емкость (КМ) 19 бока A3 выполнена с возможностью автоматической калибровки газоанализаторов (ГА) 5, датчика воздушного потока (ДВП) 1, датчиков давления, температуры и влажности (ДТВ) 18, и сушки смесительной камеры 6 и соединительных трубок 7.

Блок обработки и хранения данных (А5)

В состав блока входит терминальное устройство, например персональный компьютер (ПК) сервер (С) 20 и программное обеспечение осуществляющее хранение и обработку данных, например, моделирование вентиляционных реакций на комбинированные гиперкапнические и гипоксические воздействия в различных положениях тела человека и/или в экстремальных условиях под действием внешней среды.

Работа АПК для оценки состояния системы регуляции дыхания реализуется следующим образом:

Устройство самостоятельно подготавливается к использованию:

1) при включении нагнетателя (Нт) 12 блок подготовки газовой смеси A3 продувается атмосферным воздухом, поступающим через вход многоходового крана (МК2) 10.

2) При этом из-за разницы длин воздуховодов между смесительной камерой (Ск) 6 и многоходовым краном (МК2) 10 смесительная камера (Ск) 6 сжимается;

3) При необходимости многоходовой кран (МК2) 10 подключает к контуру подготовки газовой смеси РП 14 для наполнения контура газовой смесью, насыщенной кислородом.

4) При необходимости многоходовой кран (МК2) 10 подключает к контуру подготовки газовой смеси ХП 13 для удаления из контура углекислого газа. Обратный клапан (ОК) 8 исключает самопроизвольное поглощение углекислого газа из контура при перекрытом ХП 13.

5) В течение 3-4 минут контур будет наполнен измененным газовой смесью или атмосферным воздухом. При этом многоходовой кран (МК2) 10 замыкает контур подготовки газовой смеси блока A3 и смесительную камеру (Ск) 6.

Устройство готово к использованию.

Все команды к действию предлагаются испытуемому/пользователю/пациенту на сенсорном экране «тонкого» клиента 16.

Во время автоматической подготовки АПК к работе испытуемый/пользователь/ пациент подключается к маске 3, подключенной к клапанной коробке 4 дыхательного блока А1, при этом контур вдоха переключен на герметично замкнутый корпус 11 с датчиком воздушного потока (ДВП) 1 с выходом на атмосферу, для регистрации дыхания в покое.

Дыхание производится через рот, носовой проход перекрывается специальным зажимом маски 3. Датчики газоанализатора (ГА) 5 и датчик воздушного потока (ДВП) 1 регистрируют состав газовой смеси и дыхательный поток при свободном дыхании.

Про прошествии 4-5 минут, в соответствие с настройкой программного обеспечения, переключается в режим «возвратного дыхания». АПК мгновенно переходит в режим возвратного дыхания переключением многоходовых кранов (МК1) 9, при этом испытуемый/пользователь/пациент подключается к дыхательному контуру. Нерастяжимый мешок (Ск) 6 в герметично замкнутом корпусе (Кп) 11 изменяет объем в соответствии с дыхательными циклами человека. Подключенный к герметично замкнутому корпусу 11 датчик воздушного потока (ДВП) 1 позволяет регистрировать дыхательный поток испытуемого/пользователя/пациента.

Так как блоки А1-А3 представляют собой замкнутую систему определенного объема, то во время вдоха ранее спавшийся нерастяжимый мешок (Ск) 6 раздувается на объем вдоха. Затем человек делает выдох в дыхательный блок А1. При этом мешок 6 спадает на объем выдоха в контур. Таким образом, совершаются дыхательные циклы во время возвратного дыхания вплоть до переключения на дыхание атмосферным воздухом.

Герметично замкнутый корпус 11 связан с атмосферой через датчик воздушного потока (ДВП) 1. Так как суммарный объем газа в мешке 6 и газа, находящегося в корпусе 11 вне мешка 6, всегда равен объему герметично замкнутого корпуса (Кп) 11, то объем вдоха и выдоха в пространство дыхательного мешка (Ск) 6 вызывает изменение объема воздуха в герметично замкнутом корпусе 11, равное объему вдоха и выдоха. При этом из корпуса 11 через датчик воздушного потока (ДВП) 1 проходит атмосферный воздух постоянного состава, что обеспечивает точную регистрацию дыхательных объемов и вентиляции испытуемого/пользователя/пациента. Непосредственная регистрация дыхательного потока в контуре не обеспечивает точную регистрацию потока, так как в ходе возвратного дыхания состав воздуха в контуре изменяется, а характеристики датчика воздушного потока 1 зависят от состава воздуха. Величины дыхательных объемов и вентиляции далее используются для оценки состояния системы регуляции дыхания человека. Режим возвратного дыхания продолжается вплоть до отказа или до достижения заданного состава воздуха в дыхательном блоке А1.

Нагнетатель (Нт) 12 обеспечивает непрерывный поток в контуре, равномерное перемешивание газовой смеси

Разделенные на 2 отдельных контура дыхательный блок А1 и блок подготовки газовой смеси A3 и соединенные внутри дыхательного мешка (Ск) 6 уменьшает сопротивление дыханию испытуемого/пользователя/пациента при вдохе и выдохе.

Компенсаторная емкость (КМ) 19 корректирует избыточное давление, возникающее в результате постепенного раздутия дыхательного мешка (Ск) 6, которое может происходить в результате разницы поглощения O2 или метаболического выделения CO2.

При достижении предельного значения PETCO2 АПК автоматически с помощью многоходовых кранов (МК1 и МК2) 9 и 10 переходит в режим дыхания атмосферным воздухом, при этом испытуемый/пользователь/пациент снова начинает дышать атмосферным воздухом.

Также на сенсорном экране «тонкого» клиента (ТК) 16 непосредственно перед глазами испытателя/испытуемого/пациента расположена кнопка экстренного переключения на атмосферу.

После процедуры АПК самостоятельно подготавливается к выключению:

1) Многоходовой кран (МК2) 10 переключается на атмосферу и размыкает контур подготовки газовой смеси. При этом закрываются ХП 13 и РП 14, чтобы блоки (А2 и A3) продувались атмосферным воздухом в течение 4-5 минут.

2) При этом из-за разницы длин воздуховодов между смесительной камерой (Ск) 6 и многоходовым краном (МК2) 10 смесительная камера (Ск) 6 сжимается.

3) Многоходовой кран (МК2) 10 замыкает блок подготовки газовой смеси A3 и дыхательный блок А1.

4) С помощью компенсаторного шприца (КМ) 19 автоматически производится калибровка датчика воздушного потока (ДВП) 1.

В блоке A3 предусмотрен патрубок для взятия проб газа из блоков А2 и A3.

Управление АПК осуществляется программным обеспечением, установленным на сервере (С) 20 (например, персональный компьютер) и «тонком» клиенте 16 (ТК, например, одноплатный компьютер). Обмен данными между сервером 20 и клиентом 16 осуществляется посредством беспроводной связи.

Программное обеспечение позволяет задавать автоматический режим управления параметрами газовой смеси в контуре, при этом изменение потока через ХП 13 и РП 14 и скорость потока в системе, а также переключение на свободное дыхание выполняются автоматически в зависимости от парциальных давлений кислорода и углекислого газа, скорости нарастания и вентиляции испытуемого/пользователя/пациента. Это позволяет системе подстраиваться под испытуемого и задавать одинаковое воздействие на испытуемых.

Программное обеспечение позволяет:

- регистрировать сигналы с датчиков;

- обрабатывать получаемый сигнал;

- регулировать поток через ХП (13);

- регулировать поток через РП (14);

- регулировать поток байпас;

- герметично замыкать и размыкать на атмосферу контур блок подготовки газовой смеси (А5).

Оценка эмоционального состояния человека и его ощущений, вызванных вентиляционной реакцией до проведения эксперимента и после окончания периода возвратного дыхания, а также во время возвратного дыхания, обеспечивается программным обеспечением, установленным на сервере 20 (например, персональный компьютер) и «тонком» клиенте 16 (ТК, например, одноплатный компьютер).

Работа на АПК выполняется в три этапа: подготовительный этап, этап оценки состояния системы регуляции дыхания и этап тренировки.

Этап оценки состояния системы регуляции дыхания производится последовательно в двух режимах работы АПК.

Задаваемыми с помощью аппаратно-программного управления режимами являются:

1) Режим дыхания атмосферным воздухом, в котором реализуются и исследуются следующие маневры: спокойное дыхание, задержка дыхания, гипервентиляция и восстановление после возвратного дыхания.

2) Режим возвратного дыхания, в котором реализуются и исследуются следующие маневры: а) спокойное дыхание б) гипоксически-гиперкапническое, гипоксически-изокапническое, гипероксически-гиперкапническое, изооксически-гиперкапническое, гипоксически-пойкилокапническое возвратное дыхание; в) задержка дыхания, гипервентиляция.

АПК позволяет провести тесты и расчеты, включающие последовательно разные режимы дыхания:

1) Тест «Определение вентиляционной реакции на CO2 при гипероксически-гиперкапническом возвратном дыхании», включающий спокойное дыхание атмосферным воздухом, гипервентиляцию атмосферным воздухом, гипероксически-гиперкапническое возвратное дыхание, спокойное дыхание атмосферным воздухом.

2) Тест «Определение вентиляционной реакции на гипоксию при возвратном дыхании», включающий спокойное дыхание атмосферным воздухом, гипервентиляцию атмосферным воздухом, гипоксически-изокапническое возвратное дыхание, спокойное дыхание атмосферным воздухом.

3) Расчет вентиляционной реакции на CO2 при гипоксически-гиперкапническом возвратном дыхании» на основании математического моделирования.

Моделирование теста на гиперкапнию, сочетанную с гипоксией с маневром гипервентиляции, используя параметры центрального хеморефлекса, полученные из предыдущих двух тестов.

4) Прочие необходимые тесты, в том числе «Определение вентиляционной реакции на CO2 при гипоксически-гиперкапническом возвратном дыхании» и «Определение вентиляционной реакции на CO2 при гипоксически-гипокапническом возвратном дыхании» и с управляемыми значениями гиперкапнии и гипоксии, сочетанные с разнообразными воздействиями различных газов, например, инертных и анестезиологических газов, добавленных в дыхательную газовую смесь.

Преимущества предложенного комплекса и проводимых с его помощью тестов заключаются в следующем:

без применения баллонов со сжатым газом и громоздких устройств генерации кислорода удается быстро получить характеристики состояния (хемочувствительности) системы регуляции дыхания при различных воздействиях.

Другие дополнительные тесты с разными уровнями парциальных давлений кислорода и углекислого газа позволят идентифицировать зависимость вентиляции от альвеолярных/артериальных парциальных давлений газов с учетом неаддитивности влияния гипоксии и гипероксии (т.е. наличия компоненты вентиляции, связанной как с парциальным давлением кислорода, так и с парциальным давлением углекислого газа).

При этом раздельное воздействие тестов с гипоксией и гиперкапнией является более щадящим режимом возвратного дыхания.

Этап тренировки, включающий спокойное дыхание атмосферным воздухом, гипервентиляцию атмосферным воздухом, гипоксически-гиперкапническое возвратное дыхание до уровня легкой гиперкапнии и легкой гипоксии, спокойное дыхание атмосферным воздухом.

Устройство самостоятельно подготавливается к использованию:

1) при включении нагнетателя (Нт) 12 блок подготовки газовой смеси A3 продувается атмосферным воздухом, поступающим через вход многоходового крана (МК2) 10.

2) При этом из-за разницы длин воздуховодов между смесительной камерой (Ск) 6 и многоходовым краном (МК2) 10 смесительная камера (Ск) 6 сжимается;

3) Многоходовой кран (МК2) 10 перекрывает контуры РП 14 и ХП 13. Обратные клапаны (ОК) 8 исключают самопроизвольное поглощение углекислого газа ХМ и наполнения контура газовой смесью РП.

4) В соответствие с командами на тонком клиенте (ТК) 16 спокойное дыхание атмосферным воздухом, гипервентиляцию атмосферным воздухом, несколько подходов с задержкой дыхания и небольшой период гипоксически- гиперкапнического возвратного дыхания.

Устройство в автоматическом режиме контролирует процесс.После процедуры АПК самостоятельно подготавливается к выключению:

1) Многоходовой кран (МК2) 10 переключается на атмосферу и размыкает контур подготовки газовой смеси в течение 4-5 минут.

2) При этом из-за разницы длин воздуховодов между смесительной камерой (Ск) 6 и многоходовым краном (МК2) 10 смесительная камера (Ск) 6 сжимается.

3) Многоходовой кран (МК2) 10 замыкает блок подготовки газовой смеси A3 и дыхательный блок А1.

4) С помощью компенсаторного шприца (КМ) 19 автоматически производится калибровка датчика воздушного потока (ДВП) 1.

Частота проведения тренировок и соответствующие напоминания могут быть назначены с помощью тонкого клиента (ТК).

Кроме того, в АПК реализованы следующие конструктивные особенности.

Установка оборудована штангой-держателем (ШД) 25 для клапанной коробки (КК), подключаемой к испытуемому/пользователю/пациенту. Штанга-держатель (ШД) 25 позволяет перемещать и закреплять клапанную коробку в пространстве относительно испытуемого/пользователя/пациента, что позволяет проводить исследования в различных позах и условиях, не причиняя неудобства испытуемому/пользователю/пациенту.

Сервер (например, персональный компьютер) и «тонкий» клиент (ТК, например, одноплатный компьютер) с сенсорным экраном позволяют устанавливать дополнительное программного обеспечение, в том числе, программное обеспечение со шкалой для субъективной оценки испытуемым/пользователем/пациентом нагрузки на свое дыхание во время тестов, например, с использованием индекса по Боргу

Приборная панель выполнена с возможностью дезинфекции и обработки после длительных экспериментов.

Например, при проведении маневра возвратного дыхания с устройством в автоматическом режиме испытуемый/пользователь/пациент, следуя инструкциям на экране тонкого клиента (ТК) подключается к маске и продолжает спокойно дышать. Во время возвратного дыхания. При этом скорости нарастания концентрации СО₂ и снижения концентрации О₂ определяются объемом мешка, трубок и легких человека, а также скоростью потребления кислорода и выделения углекислого газа. Различия скорости потребления кислорода и выделения углекислого газа компенсируется компенсаторной емкостью (КМ), которая выравнивает давление в системе до нормально исходного. Поскольку, дыхательный блок (А1) и блок подготовки газовой смеси (A3) разнесены, влияние элементов блок подготовки газовой смеси (A3) на дыхательный паттерн исключено.

В результате возвратного дыхания на интерфейсе тонкого клиента (ТК) отображаются корректные мгновенные значения дыхательного потока F (л/с), парциальные давления O₂ и CO₂, температуры, давления, влажности, изображенные на Фиг. 3, отличные от полученных в прототипе. При этом автоматически рассчитывается вентиляционная реакция на прирост парциального давления CO₂, без искажений возникающих в результате работы нагнетателя газовой смеси (Нт) или изменения общего количества и давления газа в системе. Отличие угла наклона аппроксимации прироста вентиляции в ответ на прирост парциального давления CO2 подтверждается экспериментальными данными.

В случае необходимости срочной остановки маневра возвратного дыхания, испытуемый/пользователь/пациент может остановить процесс нажатием советующей кнопки на интерфейсе тонкого клиента (Тк), как на Фиг. 3. В результате устного опроса испытуемых в ходе комплексных испытаний устройства было подтверждено отсутствие неприятных ощущений во время возвратного дыхания.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратно-программному комплексу. Комплекс выполнен с возможностью работы в режиме исследования регуляции дыхания и в режиме тренировки респираторной системы. Комплекс включает дыхательный блок, смесительный блок, блок подготовки газовой смеси, блок сбора, первичной обработки данных и управления аппаратно-программным комплексом, блок обработки и хранения данных, дыхательный блок включает маску, соединенную через фильтр с влагосборником с клапанной коробкой, контуры вдоха и выдоха, подключенные от клапанной коробки посредством соединительных трубок через многоходовой кран непосредственно к смесительной камере смесительного блока, включающего герметичный корпус, соединенный с датчиком воздушного потока. Смесительная камера установлена в герметичном корпусе. Блок подготовки газовой смеси состоит из соединенных между собой посредством трубок: нагнетателя газовой смеси, химического поглотителя газовой смеси, регенеративного патрона, многоходового крана, обратных клапанов и компенсаторной емкости, и выполнен в виде контура, замыкаемого на смесительную камеру смесительного блока и размыкаемого на атмосферу. Блок сбора, первичной обработки данных и управления аппаратно-программным комплексом включает тонкий клиент с программным обеспечением, выполненным с возможностью управления движением газов и параметрами газов в дыхательном блоке, смесительном блоке и блоке подготовки газовой смеси. Блоки управления электроприводами для управления аппаратно-программным комплексом, газоанализаторы, датчики воздушных потоков, датчики давления, температуры и влажности, датчики измерения физиологических параметров выполнены с возможностью передачи информации посредством аналого-цифрового преобразователя на тонкий клиент, а затем на блок обработки и хранения данных. Техническим результатом является разработка аппаратно-программного комплекса, предназначенного для исследования и тренировки системы дыхания человека. 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аппаратно-программный комплекс, выполненный с возможностью работы в режиме исследования регуляции дыхания и в режиме тренировки респираторной системы, включающий: дыхательный блок, смесительный блок, блок подготовки газовой смеси, блок сбора, первичной обработки данных и управления аппаратно-программным комплексом, блок обработки и хранения данных, дыхательный блок включает маску, соединенную через фильтр с влагосборником с клапанной коробкой, контуры вдоха и выдоха, подключенные от клапанной коробки посредством соединительных трубок через многоходовой кран непосредственно к смесительной камере смесительного блока, включающего герметичный корпус, соединенный с датчиком воздушного потока, смесительная камера установлена в герметичном корпусе, блок подготовки газовой смеси состоит из соединенных между собой посредством трубок: нагнетателя газовой смеси, химического поглотителя газовой смеси, регенеративного патрона, многоходового крана, обратных клапанов и компенсаторной емкости, и выполнен в виде контура, замыкаемого на смесительную камеру смесительного блока и размыкаемого на атмосферу, блок сбора, первичной обработки данных и управления аппаратно-программным комплексом включает тонкий клиент с программным обеспечением, выполненным с возможностью управления движением газов и параметрами газов в дыхательном блоке, смесительном блоке и блоке подготовки газовой смеси, блоки управления электроприводами для управления аппаратно-программным комплексом, газоанализаторы, датчики воздушных потоков, датчики давления, температуры и влажности, датчики измерения физиологических параметров выполнены с возможностью передачи информации посредством аналого-цифрового преобразователя на тонкий клиент, а затем на блок обработки и хранения данных.

2. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором в качестве химического поглотителя газовой смеси использован известковый химический поглотитель углекислого газа.

3. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором в качестве регенеративного патрона использован регенеративный патрон на основе супероксидов щелочных металлов KO₂, NaO₂.

4. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором программное обеспечение для тонкого клиента выполнено с возможностью контроля поглощения углекислого газа, подачи газов в контур до или во время проведения исследования.

5. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, выполнен с возможностью осуществления автоматического управления изменением потока через химический поглотитель и регенеративный патрон, скоростью потока газов в аппаратно-программном комплексе, дыхательным потоком через многоходовой кран блока подготовки газовой смеси с учетом парциальных давлений кислорода и углекислого газа, скорости дыхательного потока и легочной вентиляции испытуемого, и нажатия кнопки аварийной остановки.

6. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором нагнетатель газовой смеси выполнен в виде крыльчатки на осевой передаче с герметичным уплотнением.

7. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором смесительная камера смесительного блока выполнена из нерастяжимого материала.

8. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором смесительная камера смесительного блока представляет собой съемный и/или заменяемый и стерилизуемый полиуретановый нерастяжимый мешок-емкость.

9. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором компенсаторная емкость блока подготовки газовой смеси выполнена в виде шприца или мешка.

10. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором блок обработки и хранения данных является сервером.

11. Аппаратно-программный комплекс по п. 10, в котором программное обеспечение для сервера блока обработки и хранения данных выполнено с возможностью моделирования вентиляционных реакций на комбинированные гиперкапнические и гипоксические воздействия.

12. Аппаратно-программный комплекс по п. 10, в котором тонкий клиент является терминалом, программное обеспечение которого выполнено с возможностью беспроводной передачи данных на сервер.

13. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором соединительные трубки контуров вдоха и выдоха выполнены жесткими.

14. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором соединительные трубки контуров вдоха и выдоха выполнены равного сечения, длины и объема.

15. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором компенсаторная емкость блока подготовки газовой смеси выполнена с возможностью автоматической калибровки газоанализаторов, датчиков воздушных потоков, температуры, давления и влажности, и сушки смесительной камеры и соединительных трубок.

16. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, в котором компенсаторная емкость блока подготовки газовой смеси выполнена с возможностью предотвращения возникновения избыточного или разряженного давления в контурах вдоха и выдоха дыхательного блока и смесительном блоке, в ответ на сигналы от датчиков давления, температуры и влажности блока сбора, первичной обработки данных и управления аппаратно-программным комплексом.

17. Аппаратно-программный комплекс по п.1, в котором регенеративный патрон снабжен средством активного или пассивного охлаждения и средством фильтрации газовых примесей.