Устройство для измерения временных параметров дыхания

 

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.

А1 (19 (И) (51) 5 А 61 В 5/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ВВТОВОТОТВУ СВИВВТВЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЭОБРЕТЕНИЯ4 И ОТНРЫТИЯМ

Я И ПАКТ СССР (21) 4181283/31-14 (22) 12.01.87 (46) 30.03.90. Бюл. Ф 12 (71) Халииииский политехнический институт (72) Н.Н.Алейников, В.В.Романов, Б.M.Ñòoëúáåðã и А.ВВЧувикин (53) 615.47(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 278011, кл. А 61 В 5/08, 1969.

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ BPEMEHHblX ПАРАМЕТРОВ ДЬЙАНИЯ (57) Устройство для измерения временных параметров дыхания может быть использовано для измерения времени выдоха и частоты дыхания в клинической медицине и при диагностике состоятия человека-оператора. При вдохе воздух поступает в маску 1 чеpcs отверстие 5 с клапаном 6 вдоха.

1553052

20

30

40

50

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 вьщыхаемого 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 вьщеления сигналов

Изобретение относится к медицине имедицинской технике и может быть использовано при измерении статических характеристик временных параметров дыхания в клинической медицине,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 вьщеления сигналов выдсха, 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 выбрано таким, чтобы разность давлений практически не ощущалась оператором.

Шторка 9 при вдохе сохраняет свое положение практически неизменным и поток света непрерывно поступает в выдоха, содержащего усилитель-ограничитель 1Э и триггер 14 Нмитта, формируется сигнал, длительность которого соответствует продолкительности 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 э.п. ф-лы, 1 ил. фотоприемник 14. При выдохе клапан 6 вдоха закрывается, и воздух выходит в атмосферу через отверстие Э 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 окончании 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 эа счет энергии движущегося потока воздуха при выдохе и лишь в небольшой степени эа 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 вьщеления сигналов выдоха,с выходов которого сигналы,соответствующие фазе выдоха по продолкительности, 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

1553052

SA где Г

D 7 0 вы* м ° кс где

45 где h

h = d с1 избыточное внутримагоч1 .." давление в пределах Н2 более 0-2з Па и не менее порогового, оппеле.>яемого ч> встнительностью датчика 7, а но время вдоха — от О цо 20 lia, по возможности ближе к нулю. Именно такое сочетание позволяет снизить цо 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 аппроксимиронанная линейной регрессией зависимость диаметра отверстия диафрагмы (д) от максимального внутримасочного давления (р) следующего вида: с1 = 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 ннутри маски величиной 20 Па можно получить выражение для нахождения минимального диаметра (Д) заделки мембраны в корпусе датчика:

П =138 —— с h

ItI (2) — линейное перемещение, мм центра мембраны, при котором может быть эарегистрирован 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.

;1.".я г фрирс н:.1ннь>х зла> T 1>ныл мембран с жестким Jjtнтром, к э;:рые наиболее целесообразно и< пользовать в данных условиях, при малых перемещениях (порядка ческ> лг к>>х пр1>центов от диаметра) величина 1 мс жет быть определена п1> слецун>111еи формуле:

iО = 1+Г + Г=- 1 /u гце Й вЂ” диаметр жег.> кого центра.

Диаметр отверстия в маске для вдоха (с1 ) должен бытl, таким, что— вя

15 бы давление н маске пр 1 вдохе отличалось от атмосферного не более чем на 20 Па. Подставляя эту величину в формулу (1), получаем в4, вя с1 50 С„„,, (3) максимальньп1 пиковый секундный объем при вдо. хе, л/с.

Диаметр отверстия н маске для

ЬЫЯ выдоха (d ) должен быть выбран исходя из следующего эмпирического соотношения: вк>А 1 09 1О с h < esA ()

П2 циаметр мембраны,мм; максимальный пиковый . секунцныi1 объем при

НЫДОХЕ. :l/С.

Выбор параметра Ь зависит от конструктивных особенностей фотоэлектрического преобразонателя перемещений

4р мембраны, способа обработки полученного сигнала и требований к вероятности его обнаружения. Для техни— ческого решения, приведенного н описании изобретения, где с1, — диаметр фотоприемника или отверстия диафрагмы; коэффициент перекрытия све. тового потока, при котором с заданной вероятностью принимается решение о появлении сигнала.

При использовании триггера Шмитта величина > может быть установлена в пределах 0,4-0,6.

Эксперименты показали, что подобранные указанным образом парамет1553052 ры датчика обеспечивают надежное определение временных интервалов и при наличии дополнительного отверстия для свободного прохода воздуха, если его диаметр не будет превышать сэ величины d, определяемой из соотношения (4) с заменой величины максимального пикового расхода воздуха на минимальное.

Для поддержания избыточного давления в маске в заданных пределах в процессе вьдоха служит клапан, выполненный из гибкого материала (резины) . Его жесткость (с „) может бьггь выбрана исходя из диапазона изменений эффективной площади (S ) и перемещений свободного конца (h „) по следующей формуле:

Ьк ск 382 hc

2,5 ) — — — ) (5) TD

Отверстие для свободного прохода воздуха может быть выполнено в виде зазора между клапаном выдоха и отверстием вьдоха, 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, о т л и ч а ю щ е е с я теМ, что, с целью повышения точности измерений путем снижения внешней нагрузки на дыхательную систему, мембрана установлена в камере непосредственно 3а первым отверстием, расположенным вблизи оси струи воздуха, образуемой при выдохе, в нижней части маски выполнены дополнительно два отверстия, одно из которых снаожено клапаном вдоха, дру5 гое — клапаном выдоха а блок измеУ рения подключен к выходу датчика перемещения мембраны через блок выделения сигналов вдоха, при этом диаметр первого отверстия определяется зависимостью аВд 50 С„„„, d» диаметр первого отверстия, мм; максимальный пиковый секундный объем при вдохе, л/с, диаметр мембраны датчи15 В4 мы кс

MHHHMBJI ьный ка давления определяется выражением

D = 138 -—

Мкя где с — жесткость мембраны, кг/м;

h — линейное перемещение центра мембраны, при котором может быть зарегистрирован сигнал датчика перемещения, мм; коэффициент потерь эффективной площади мембраны, а диаметр второго отверстия и диаметр мембраны связаны соотношением

109 10 с h „Выл

d (107 — — — — — -- -) ."

Выл р, D2 мыкс

40

Вб<4

С мыкс

3. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что клапан вы доха выполнен иэ эластичного материала, жесткость которого определяется зависимостью где d „д — диаметр второго отверстия мм

D — выбранный диаметр заделки мембраны, мм; — максимальный пиковый секундный объем выдоха, л/с.

2. Устройство по п.1, о т л и

45 ч а ю щ е е с я 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.

1553052 10 свободного прохода воздуха при любом положении клапана всегда больше величины d °, определяемой выражением кла- 1 09 10 h c siia (107 " - - — — — — — ) G

cS ПФ

М4 «С

25 S, с

3 82 h.с Sê

7 а .в ь

Составитель А.Фальцман

Редактор М.Циткина Техред М.Дидык

Корректор, М.Максимишинец

Заказ 4 11 Тиращ 551 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 где S„эффективная площадь пана, ми

h — максимальное перемещение к свободного конца клапана, ммf сн — жесткость клапана, кг/м.

4. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что клапан выдоха имеет площадь, меньшую площади второго отверстия настолько, что диаметр образуемого отверстия для

earp где G «« — минииальный средний секундный объем при выдохе, л/с.

5. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок выделения сигналов выдоха содержит последовательно соединенные усили15 тель-ограничитель и триггер Йчитта.