Устройство для измерения временных параметров дыхания Советский патент 1990 года по МПК A61B5/08 

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может быть спользовано при измерении статиеских характеристик временных параметров дыхания в клинической меицине, а также при диагностике состояния оператора.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем снижения внешней нагрузки на дыхательную систему.

На чертеже изображена структурная схема устройства для измерения временных параметров дыхания.

Устройство содержит дыхательную маску 1 с первым отверстием 2, вторым отверстием 3 с клапаном 4 выхода, третьим отверстием 5 с клапаном 6 вдоха, датчик 7 давления, размещенный в камере и включающий в себя мембрану 8, соединенную со шторкой 9, и датчик перемещения, содержащий источник 10 света и фотоприемник 11, блок 12 выделения сигналов вы- дсха, содержащий усилитель-ограничитель 13 и триггер 14 Шмитта, и блок 15 измерения.

Устройство работает следующим образом.

При вдохе воздух поступает в маску через отверстие 5 и открывающийся при вдохе клапан 6 вдоха. Сопротивление клапана 6 потоку воздуха зависит от упругости его материала и выб рано таким, чтобы разность давлений практически не ощущалась оператором. Шторка 9 при вдохе сохраняет свое положение практически неизменным и поток света непрерывно поступает в

5

0

5

0

5

0

5

фотоприемник 14. При выдохе клапан 6 вдоха закрывается, и воздух выходит в атмосферу через отверстие 3 и открывающийся при этом клапан 4 выдоха и одновременно попадает через отверстие 2 в предмембранное про-, странство датчика 7, оказывая давление на мембрану 8. Прогибаясь, мембрана выдвигает шторку 9 так, что она перекрывает поток света от источника 10 к фотоприемнику 11. При окончаний выдоха шторка 9 возвращается в исходное положение, восстанавливая оптический канал по оси от источника 10 к фотоприемнику 11. Давление воздуха на мембрану 8 осуществляется преимущественно за счет энергии движущегося потока воздуха при выдохе и лишь в небольшой степени за счет избыточного давления внутри маски 1. Таким образом, за счет изменения освещенности фотоприемника 11 на его выходе вырабатывается электрический сигнал, длительность которого соответствует продолжительности фазы выдоха. Этот сигнал поступает на вход блока 12 выделения сигналов выдоха выходов которого сигналы, соответствующие фазе выдоха по продолжительности, поступают на вход блока 15 измерения. Выделение сигналов выдоха осуществляется в блоке 12 за счет усиления-ограничения выходного сигнала фотоприемника 11 в блоке 13 и последующего формирования сигналов триггера 14 Шмитта.

Для уменьшения нагрузки на дыхательную систему испытуемого необходимо поддерживать во время выдоха

5

избыточное внутримагош: 4j давление в пределах не 20-25 Ila и не менее порогового, определяемого чувствительностью датчика 7, а во пре- мя вдоха - от 0 до ЛО На, по возможности ближе к нулю. Именно такое сочетание позволяет снизить до требуемого предела влияние внешней нагрузки на дыхательные пути и при этом не предъявлять слишком жестких требований к датчику 7, т.к. на выдохе он эффективнее реагирует не только на статическое давление, но и на динамическое.

Для уточнения конструктивных параметров устройства были проведены экспериментальные и теоретические исследования, позволившие уточнить соотношение размеров отверстий маски с параметрами датчика 7.

По результатам измерений была получена аппроксимированная линейной регрессией зависимость диаметра отверстия диафрагмы (d) от максимального внутримасочного давления (р) следующего вида:

d 107 - 2,85 р , (1) где коэффициенты отнесены к единице пикового значения секундного дыхательного объема. Одновременно в этом эксперименте был установлен порог внутримасочного давления, при котором начинали появляться ощущения сопротивления дыханию (20 Па).

Согласно теории мембран с учетом ограничения давления внутри маски величиной 20 Па можно получить выражение для нахождения минимального диаметра (Д) заделки мембраны в корпусе датчика:

D,

14 R JC h 13,8 (2)

де h - линейное перемещение, мм центра мембраны, при котором может быть зарегистрирован с требуемой надежностью сигнал датчика; с - жесткость мембраны, кг/м, определяемая для эластичных материалов и малых перемещений, как правило, экспериментально; - коэффициент, учитывающий потерю эффективной площади мембраны в зависимости от ее формы.

330526

Д.тя П фриронанных т.мастиных мембран с жестким центром, которые наиболее целесообразно использовать в с данных условиях, при малых перемещениях (порядка нескольких процентов от диаметра) величина может быть

9 ,

определена по следующей формуле: 10 f 1 +Ј+Ј, F с1ц/U ,

где d - диаметр жесткого центра.

Диаметр отверстия в млеке для вдоха (d ) должен быть , что- 15 бы давление в маске при вдохе отличалось от атмосферного не более чем на 20 Па. Подставляя эту величину в формулу (1), получаем

20

ВАВА

d 50С,макс

(3)

-,А

где м„к максимальный пиковый

секундный объем при вдохе, л/с. Диаметр отверстия н маске для

выдоха (d ) должен быть выбран

исходя из следующего эмпирического

соотношения:

flUA

.09 -10 с h

- (107 - .S) С,- (A)

где D Dm - диаметр мембраны,мм; „ (JWCIKC - максимальный пиковый.

35

секундный объем при выдохе, л/с.

Выбср параметра h зависит от конструктивных особенностей фотоэлектрического преобразователя перемещений мембраны, способа обработки полученного сигнала и требований к вероятности его обнаружения. Для технического решения, приведенного в описании изобретения,

п d0,

где d 0 - диаметр фотоприемника

или отверстия диафрагмы;

а - коэффициент перекрытия светового потока, при котором с заданной вероятностью принимается решение о появлении сигнала.

При использовании триггера Шмит- та величина J1 может быть установлена в пределах 0,4-0,6.

Эксперименты показали, что подобранные указанным образом параметры датчика обеспечивают надежное определение временных интервалов и при наличии дополнительного отверстия для свободного прохода воздуха, если его диаметр не будет превышать

,св

величины d , определяемой из соотношения (4) с заменой величины максимального пикового расхода воздуха на минимальнее.

Для поддержания избыточного давления в маске в заданных пределах в процессе выдоха служит клапан, выполненный из гибкого материала (резины) . Его жесткость (ск) может быть выбрана исходя из диапазона изменений эффективной площади (SK) и перемещений свободного конца (hK) по следующей формуле:

2.5 , Ь. , . (5)

Отверстие для свободного прохода воздуха может быть выполнено в виде зазора между клапаном выдоха и отверстием выдоха, имеющимся пои нулевом перепаде давлений.

Пиковые значения секундного дыхательного объема определяют экспериментально. Максимальные и минимальные величины зависят от возрастной и профессиональной группы операторов, для которой предназначено данное устройство. Если эта группа строго не определена, значения секундного объема могут быть взяты из справочной литературы.

Если устройство используется для определенной группы операторов, функционирующих в сильно изменяющихся условиях, отверстие выдоха может быть выполнено регулируемым в виде ирисовой диафрагмы.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения временных параметров дыхания, содержащее маску с первым отверстием, датчик давления, включающий в себя мембрану и датчик перемещения, и блок измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем снижения внешней нагрузки на дыхательную систему, мембрана установлена в камере непосредственно за первым отверстием, расположенным вблизи оси струи воздуха, образуемой при выдохе, в

нижней части маски выполнены дополнительно два отверстия, одно из которых снабжено клапаном вдоха, другое - клапаном выдоха, а блок измерения подключен к выходу датчика перемещения мембраны через блок выделения сигналов вдоха, при этом диаметр первого отверстия определяется зависимостью

5о С:АЯКС ,

где

,Я4

WWKC

-диаметр первого отверстия, мм;

-максимальный пиковый секундный объем при вдохе, л/с,

минимальный диаметр мембраны датчика давления определяется выражением

где с - жесткость мембраны, кг/м;

h - линейное перемещение центра мембраны, при котором может быть зарегистрирован сигнал датчика перемещения, мм;

- коэффициент потерь эффектна-

ной площади мембраны, а диаметр второго отверстия и диаметр мембраны связаны соотношением

35

выл

, 109 104 c-h , „ем - UU/ ,-) „M-Ke,

где d8k,A - диаметр второго отверстия, мм;

D - выбранный диаметр задел- ки мембраны, мм;

G макс максимальный пиковый

секундный объем выдоха, л/с.

2. Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что датчик давления снабжен шторкой, жестко соединенной с центром мембраны, а датчик перемещения содержит источник света и фотоприемник, расположенные по обе стороны от шторки так, чтобы соединяющая их ось в нейтральном положении проходила в непосредственной близости от края шторки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что клапан вы доха выполнен из эластичного материала, жесткость которого определяется зависимостью

с,

3А82

Ь-с-8к

1

где 5„ эффективная площадь клапана, мм2; Ьк - максимальное перемещение свободного конца клапана, мм;

ск - жесткость клапана, кг/м. 4. Устройство поп.1, отличающееся тем, что клапан выдоха имеет площадь, меньшую площади второго отверстия настолько, что диаметр образуемого отверстия для

155305210

свободного прохода воздуха при любом положении клапана всегда больше величины dct, определяемой выражением

1,09 с х вк с-«кс

В d

ев

(107

.

где GMMM - минимальный средний секундный объем при выдохе, л/с.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок выделения сигналов выдоха содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель и триггер ПЬштта.

Устройство для измерения временных параметров дыхания может быть использовано для измерения времени выдоха и частоты дыхания в клинической медицине и при диагностике состояния человека-оператора. При вдохе воздух поступает в маску 1 через отверстие 5 с клапаном 6 вдоха. При выдохе воздух выходит через отверстие 3 с клапаном 4 выдоха и одновременно через отверстие 2 поступает в область над мембраной 8 и давит на мембрану, которая вследствие этого прогибается. Мембрана 8, шторка 9, источник света 10 и фотоприемник 11 образуют датчик давления, расположенный в камере 7 по главной оси струи выдыхаемого воздуха. При выдохе за счет избыточного давления порядка 20 Па внутри маски мембрана 8 прогибается, шторка 9 перекрывает световой поток, в результате чего на выходе блока 12 выделения сигналов выдоха, содержащего усилитель-ограничитель 13 и триггер 14 Шмитта, формируется сигнал, длительность которого соответствует продолжительности фазы выдоха, поступающий на блок 15 регистрации. В описании и в формуле изобретения приведены соотношения, позволяющие оптимизировать конструктивные параметры маски и датчика давления с целью повысить точность измерений путем снижения внешней нагрузки на дыхательную систему испытуемого. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.