Способ исследования функции внешнего дыхания человека Советский патент 1979 года по МПК G01N25/20 

(54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ ВНЕШНЕЮ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА: ших в неявном виде в уравнение (1): . температурного напора, относительной, влажности .поступающего на вхоц и выход щего из скафандра газа, расхоца raaaj использование в процессе этих измерений различных принципов, заложенных в мет рологические устройства: существенная инерционность (минуты) измерительных устройств, что позволяет производить оценку метаболических функций челрве--. ка лишь за большой промежуток времени. В реальных условиях жизнедеятельности человека упомянутые выше метро.логические проблемы усложняются и часто не позволяют прямым способом измерять параметры, входящие в уравнение {1), например, температура точки росы на входе в гермошлем определялась по данным измерения .температуры гасза на выходе из сублиматора автономной сиетемы жизнeoбecпeчeнияj скорость потока газа определялась путем сравнения повышения давления в вентиляционной системе и падения давления в скафандре с кривыми п ока газа; скорость потока сухого кислорода вычисляется по результатам измерени скорости водяного пара и скорости вентиляционного потока. Таким образом, известный способ определения метаболических функций организма .характеризуется как сложностью так и невысокой (относительная погрешность 2О-80%) точностью измерений и в результате позволяет получить лишь интегральные за большой промежуток вре мени показатели метаболизма, в частности, энергообменных и теплообменных про цессов организма человека,. Целью изобретения является разработка способа исследования функции внешнеТйДыхШия человека, повышающего точность и быстродействие сиахронизированного во времени исследования показателей функции внешнего дыхания (концентраций газов в потоке воздуха, его темПературЫ и скорости движения, радиацион ной и конвективной составляющих теплово го баланса, частоты и минутного объема дыхания). Указанная цель достигается тем, что согласно способу модулируют потоки энергии (t) каждого из j - bix показателей функции внешнего дыхания. например, no закону Wj (f) Wjo 1-V (int) и регистрируют пироэлектрическое напряжение Uj каждой j -ой грани пирамиды, пропорциональное hj (.т) в соответствии с выражением Y-fr) - )(l-fin «) J J /.л. V Ci-nej)exp(iKt) r,BjCi де Г,.,Г« - соответственно тепловая и электрическая постоянные пироэлектрических детекторов;. поглощающая способность поверхности TO воспринимаюJ,щей поток энергии WjCt); : +RO- суммарная электропроводность нагрузки и детектора; , - пироэлектрический коэффициент,. а также тем, что основание полой пироэлектрической ловушки устанавливают в плоскости, нормальной к вектору скорости исследуемого потока воздуха таким образом, чтобы соблюдалосьравенство характерных размеров основания пирамиды и поперечного сечения потока воздуха. ; . Исследованию функции- внешнего дыхания предшествует определение профилей поперечных сечений потоков воздуха, что позволяет исключить влияние сложного распределения полей температур и скоростей в зоне дыхания, вызываемых, например, принудительным вентилированием йодкостюмного и подшлемного пространства изолирующего снаряжения. На основании этого точно фиксируют пространственное положение пироэлектрической ловушки, которое наиболее точно соответствует плоскости, нормальной к Вектору скорости исследуемого потока воздуха. По результатам ЭТИ.Х операций определяют характерные размеры пироэлектрической ловушки, выполненной в виде полой п гранной пирамиды, таким образом, чтобы соблюдалось равенство характерных размеров основания и профиля поперечного сечения потока воздуха. Эти операциипроводились, например, путем колориметрирования отображения профилей потоков воздуха, вьщыхаемого человеком. Регистрация отображений осуществлялась с помощью перфорированных пластин, размещаемых в зоне дыхания на различных, но измеренных расстояниях от лицевой поверхности. Такие пластины, предварительно закрепленные на направляющих и обработанные цветовым индикатором, наппимер крахмалом .или соединениями йода, давали Собтветствуюшую окраску части пластин, плошадь которой равнялась плошади поперечного сечения потока воэцуха, насьцценного парами влаги при вьщоХе, Электрическое секционйрованиепироэлектрической ловушки на п секцийдетекторов, отличающихся вэличиной пог лощающей способности .1 и пироэлектрическим коэффициентом .1 позволяет одновременно производить изме|рение пиро iэлектрического напряжения Uj , пропорционального энергетическим составляющим йсех J -ых показателей функции внешнего дьпсания человека. При импульсном представлении входной величины Wj (т) вольт-ваттная чувствительность детектора { Р ), как следует из функции ее разложения в интеграл Фурье 4} (t) ; /(f.)exp(2 -if-t) (3) зависит от частоты f. Такой подход при реализации модуляции исслецуемых j -ых потоков энергии по закону Wj(r) jo(l + &Xp/iWt-) позволяет, с одной стороны, без искажения трансформиро бать потоки энергии физиологической природы, изменяющихся во времени г, как показывают термодинамические исг г 1 следования , по синусоидальному и экспоненциальному законам, с другой, согласовывать физические-и геометрические характеристики пироэлектрических детекторов (тепловых т. и электри- чески.х -г, постоянных, поглощающих способностей S поверхностей, воспринимающих поток энергии, пироэлектрических коэффициентов , а также площадей FO J воспринимающи.к поверхностей, толщин d граней пластин) с электрическими характеристиками детекторов (пироэлектрическим напряжением, токрм U, сопротивлениями нагрузки R и детекто ров RQ J их емкостями С), Предположим, что каждая из пироэлектрических пластин имеет виц равносторонней трапеции площадью FO и толщиной dl и что длина температурной волны на всех частотах моцулянии больше Я, и поэтому температура Т в любой точке кристалла не зависит от координаты, являясь только функцией времени В этом случае связь между электрическ ой индукцией Д, электрическим полем Е и поляризацией Р кристалла в общем виде можно записать

Д ё-Ь4ГР,

(4)

Wj(T)Wjo l4-exp(iWt) Если кристалл монодоманный и его ктор поляризации направлен вдоль оси то плотносзть тока в кристалле по ой оси составит. , .,(5) е плотность тока про.водимости; б электропроводность, зависимость Рд от компонента спонтанй поляризации 1 и диэлектрической сприимчивости х v- «р т EV X По условию непрерывности тока: vi О или для нашего случая дЛ , т. е. плотность тока i является прерывной функцией только времени: i Ч- ; (,,Е, -V 4Л Р,с, (7) е- IMJTXxK eM tЕсли пироакТивный кристалл {наприр, из материала BaTiOj ТГС) подклюн к нагрузочному сопротивлению К„ внешнему источнику Uo , то U« iFoR,.-v/E,d,. Интегрируя (7) по объему кристалла учетом (8), получим аг„1 б,И (Uo-jF,.R,) 4- %(и,iF«RH)-l-F,; Pxcdx (9) и .S(U -IRJ+ lfe(,-IR,)F.t,00) е среднее значе ние поляризации кристалла для толщины его d. В выражении; (1ОГреличины &-...-р , SiSs. f-ft еют смысл эквивалентньет: сопротивлея и емкости кристалла. В стационарном режиме уравнение ( Ю) еет вид Уравнение теплового баланса при возйствии модулированного потока на пироактивный кристалл cJ -i-GT :gWoF,i + exp(iwt), (1) где q - теплоемкость, G F, коэффициент теппопотерь кристалла. , Решение уравнения (12) длястационарного режима вид Т -WoF,exp(iwf)еУГоГд a -iwc Q Л / Первый член уравнения {13) характеризует переменную составляющую прироста температуры непосредственно влияюшуК) на формирование тока t в крис талле-.. . .: - -., . ... ;; (н где 2. « пироэ1ИёктрйчёскйЙ коэф:-- фициёнт ; Второй член.Уравнения (13) .xapaктepи зует йостоянный нагрев кристалла.: Таким образом , йависимостй между йироэлектрическим .напряжением Uj снр , MaeMbiW с каждой из j-ьрс детекторный пластин от модулированных потоков энергии. Wj С) ёудет иметь зйд ;. : a+int-T) (inej) exp (inf) FoRj j где .-ty ss C/Q-. - тепловая, ,a CR - ЭПектричесМя. постоянная времени. Выражение (15) дает возможность иметь оггределенную свободу выбора тип кристалла и его геометрических .характеристик при Определён.йи облика 1етрологического устройства, его основньгх Характерис:гик: постоянных времени , feJ вОльт-ваттной; чувствительности .. S и т. д. Так, например спи принять коэффициент тёплопотерь определяет ся только излучением, то величину t пйроактивного детекторй можно определить из выражвни:я сЛГ - CvgRd (16) asbjT Fo

a электрическуй постоянную, например, при (r

ежхРс.

(

н

4Jrd 693

- соответственно теплогде fy, fe. вая и электрическая постоянные пироэлектрических детекторов 8 вольт-ваттную чувствительность иFoRvf g, р иrpKVffc f,a, Vp CGCHw4/)2cl4- w2t|)i , Сравнительный анализ спосо.бов исслеования внешнего дыхания показывает, что преимуществами предлагаемого спо- . соба являются возможность оперативного, сиихронизировааного во времени, исследования показателей функции внешнего дыхания (конвективной и радиационной соетайляюших теплового потока, частоты дыХайия, температуры выдыхаемого Воздуха, содержания в нем кислорода, углекислого газа, минутного объема дькания}возможность проведения экспресс-исследований, например, оперативного контроля; /удобство в эксплуатации и преобразования исследуемых показателей функции внешнего ДЬРСания в электрические сигналы... -, , : : : .Ф о р м у .л а ИЗ об р е т е н и я 1, Способ исследования функций внешнего дыхания человека, состЪяжий в том, что в. потоке выдыхаембго. воздуха устанавливают полую пироэлектрическую, ловушку, выполненную, например, в виде правильной усеченной П -гранной пирамиды, о т Л и ч а ю .щ ий с я тем, что, с целью повьгщения. точности и быстро-, действия син-)сронизированногО во времен Я исследования показателей функции, внешH t o дьзбсания газового составй, температу ы, пойви { 1ностипотокарадиационной . и конвективной составляющих теплового баланса, частоты и минутного объема дыхания), модулируют потоки энергии V/ojCr). каждого из -j -ык показателей функций внешнего дыхания, например, по закону Wj(t)WjDn-t-e pCinT) и регистрируют пироэлектрическое напряжение Uj- каждой j-ой грани пирамиды, пропорциональное njC-r) в соответствии с выражением ,y./i,,)a+inte) Hr )expCintr) ЖНТСГ

96931971

e. - поглошаюшая способ- ;Источники информации,

ность поверхности Т,принятые во внимание при экспертизе

воспринимающей потокТ. Berry СА. Sumitiary of tnedical

энергии VTj (t);experience n the Apollo 7 trough IHnaunR +RJ - суммарная электро- s €d spaceJCHghts. Aero$pac« Med., проводность нагрузкиp.500, 1970.j

и детектора:. 2. Waligora J. М, et all. Apollo 17

S, - пироэлектрический коэф- EVA. Metabolic assesmenl. Apollo 17. фициент.;NASA. Wascbington D.S. 1973.

10 5. Watton L.,Joness M.tJ.Individual

2. Способ no П. 1, от л и ч a Support systems outside a Spacecraft

Щ и Й с я тем, что основание полой ,зрасе suits and capsules.NASA,V- 3,

пироэлектрической ловушки устанавливают Т 192.

в плоскости, нормальной к вектору ско- . 4. Jones C.R. J. Opt. Soo. America,

рости исследуемого потока воздуха та- |у. 50, ЛГ9, р. 883, I960. КИМ образом, чтобы соблюдалось равенст-5. Городинский С. М.Глушцо А. А.,

во характерных размеров основания пира- Орехов Б. В. Колориметрия в изолируюмиды и профиля поперечного сечения по-яци-х средствах защиты человека. М.,

тока воздуха.Машиностроение, 1.976. с. 208.