Аппарат для коррекции дыхания с биологической обратной связью

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для лечения бронхиальной астмы. Аппарат содержит связанные общей двунаправленной многоразрядной шиной контроллер, блок цифровой индикации и блок установки параметров дыхания. Выход контроллера подключен к третьему входу усилителя-преобразователя, четвертый вход которого подключен к выходу датчика дыхательных движений, пятый вход - к выходу регулятора усиления. Выход усилителя-преобразователя подключен ко второму входу контроллера. Аппарат содержит блок питания. Благодаря предложенной схемотехнике существенно повышается эффективность и безопасность лечения бронхиальной астмы. 4 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в пульмонологии для лечения бронхиальной астмы путем обучения больного управляемому дыханию в замедленном ритме с затянутым выдохом и со сниженной глубиной (амплитудой) вдоха.

Бронхиальная астма относится к числу наиболее распространенных заболеваний. Ее лечение с помощью гормональных средств сопряжено с серьезными побочными эффектами.

В настоящее время одним из перспективных направлений лечения бронхиальной астмы является немедикаментозная терапия, в том числе методы, основанные на принципе биологической обратной связи (БОС). Сущность этих методов лечения заключается в обучении пациентов произвольному управлению дыханием с помощью аппаратных средств визуализации процесса дыхания: т.н. корректоров дыхания.

Известен аппарат для коррекции дыхания (прибор контроля дыхания "РИТМ" [проспект завода "Радиоприбор", Санкт-Петербург, производство с 1988 г.], содержащий датчик дыхания и электронный блок.

Датчик дыхания закрепляется ремнем на брюшной стенке пациента, и регистрирует дыхательные движения. Сигнал с датчика поступает на электронный блок.

Электронный блок содержит схему и два сигнализатора: световой индикатор (сигнальную лампу) и двухтональный звуковой сигнализатор.

Прибор работает следующим образом. В фазе вдоха включается сигнальная лампа, а звуковой сигнализатор издает сигнал высокого тона. В фазе выдоха сигнальная лампа гаснет, а звуковой сигнализатор издает сигнал низкого тона. В фазе дыхательной паузы звуковой сигнализатор "молчит". Такой алгоритм работы позволяет пациенту отслеживать ритм своего дыхания, например удержать его во время приступа бронхиальной астмы, когда дыхание учащается.

Недостатком прибора является отсутствие возможности оценивать, насколько пациенту удалось нормализовать дыхание, то есть в какой степени длительность вдоха, выдоха, паузы и частота дыхания близки к некоторому эталону нормы.

Известен также аппарат для коррекции дыхания с биологической обратной связью АКД-04 (паспорт АФИН 941589.001 ПС), содержащий контроллер, соединенным двунаправленной многоразрядной шиной с блоком индикации, усилитель-преобразователь, датчик дыхательной активности пациента, регулятор установки нуля, регулятор усиления, линейный индикатор дыхательных движений пациента, генератор эталонного ритма дыхания с регуляторами длительности вдоха, выдоха и частоты, линейный индикатор эталонных дыхательных движений и блок питания.

Аппарат АКД-04 обеспечивает возможность контроля параметров внешнего дыхания, позволяет визуализировать движения дыхательной мускулатуры пациента на линейный индикатор дыхательных движений пациента. Эти движения индицируются в виде пульсирующего столбика. При вдохе высота столбика увеличивается, при выдохе - уменьшается. На параллельно расположенном линейном индикаторе визуализируется эталонный ритм дыхания в виде такого же пульсирующего столбика.

Задача пациента состоит в синхронизации пульсаций светового столбика собственного дыхания с пульсацией столбика эталонного ритма.

Перед началом сеанса на груди пациента укрепляют датчик и включают прибор. В фазе глубокого выдоха регулятором "Установка нуля" устанавливают высоту столбика "Пациент" на уровне деления "0". Затем в фазе максимального вдоха регулятором "Усиление" устанавливают высоту столбика "Пациент" на уровне деления "20". На этом манипуляция регуляторами параметров дыхания пациента прекращается до конца сеанса.

Что касается параметров эталонного ритма дыхания, то в ходе лечебной процедуры врач или сам пациент периодически постепенно увеличивают длительность фаз вдоха, выдоха и частоту эталонного ритма, вращая соответствующие регуляторы.

Необходимость многократно манипулировать по ходу сеанса тремя независимыми регуляторами является существенным недостатком данного аппарата.

Кроме того, независимая аналоговая регулировка параметров эталонного дыхания - длительности вдоха и выдоха - может привести к получению сочетаний, несовместимых с установленным значением частоты. Это снижает эффективность лечения бронхиальной астмы и может привести к ухудшению состояния пациента.

Настоящее изобретение решает задачу разработки эффективных аппаратных средств задания и управления параметрами дыхания пациента при лечении бронхиальной астмы. Кроме того, изобретение решает задачу исключения возможности задания врачом несовместимых сочетаний параметров дыхания.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. Вместо трех независимых регуляторов длительности вдоха, выдоха и паузы патентуемый аппарат снабжен блоком установки параметров дыхания, а в блок индикации введен индикатор частоты эталонного дыхания. Каждому значению частоты (от 5 до 25) соответствует трехмерный фазовый вектор, компоненты которого представляют фиксированные значения длительности вдоха, выдоха и паузы. При этом эти триады значений образуют соотношения от 1:3:3 для минимальных значений частоты до 1:1:1 для максимальных значений частоты. Таким образом, длительность вдоха никогда не превышает длительности выдоха и паузы. Все эти значения хранятся в блоке памяти контроллера, и переход от одного набора к другому определяется контроллером.

Схемотехнически решение поставленной задачи осуществляется следующим образом.

Аппарат для коррекции дыхания с биологической обратной связью, содержащий контроллер, двунаправленной многоразрядной шиной связанный с блоком индикации, который включает индикатор дыхания пациента и индикатор эталонного дыхания, выход контроллера подключен к третьему входу усилителя-преобразователя, четвертый вход которого подключен к выходу регулятора усиления, пятый вход - к выходу датчика дыхательных движений, а выход - ко второму входу контроллера, и блок питания, первый выход которого подключен к первым входам контроллера, блока индикации, датчика дыхательных движений и усилителя-преобразователя, второй вход которого подключен ко второму выходу блока питания, согласно настоящему изобретению аппарат снабжен блоком установки параметров дыхания, который содержит регуляторы увеличения и уменьшения частоты эталонного дыхания и установки нуля на индикаторе дыхания пациента, а блок индикации дополнительно содержит индикатор частоты эталонного дыхания. При этом контроллер, блок индикации и блок установки параметров дыхания связаны общей двунаправленной многоразрядной шиной.

Технический результат патентуемого изобретения заключается в существенном повышении эффективности и безопасности лечения бронхиальной астмы, исключении возможности установки несовместимых значений параметров эталонного ритма, поскольку каждому устанавливаемому значению частоты дыхания соответствуют физиологически обоснованные оптимальные значения длительности вдоха, выдоха и паузы.

Сущность изобретения поясняется примером реализации аппарата для коррекции дыхания с биологической обратной связью и чертежами, на которых представлены: фиг.1 - блок-схема аппарата; фиг.2 - пример реализации блока индикации 2; фиг.3 - пример реализации блока установки параметров дыхания 3; фиг.4 - укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата.

Аппарат для коррекции дыхания содержит (фиг.1) связанные общей двунаправленной многоразрядной шиной контроллер 1, блок индикации и блок установки параметров дыхания 3. Выход контроллера 1 подключен к третьему входу усилителя-преобразователя 4, четвертый вход которого подключен к выходу регулятора усиления 6, пятый вход - к выходу датчика дыхательных движений 5. Выход усилителя-преобразователя 4 подключен ко второму входу контроллера 1. Аппарат содержит блок питания 7, первый вход которого подключен к первым входам контроллера 1, блока индикации 2, датчика дыхательных движений 5 и усилителя-преобразователя 4, второй вход которого подключен ко второму выходу блока питания 7.

Контроллер 1 предназначен для управления блоком индикации 2 и блоком установки параметров дыхания 3 (см. укрупненную блок-схему алгоритма работы аппарата - фиг. 4). Контроллер 1 содержит блок памяти, в ячейках которой хранятся триады значений длительности вдоха, выдоха и паузы для каждого фиксированного значения частоты эталонного дыхания. Он может быть реализован на основе микросхемы АТ89С51 (пример схемотехнической реализации контроллера 1 см. "Аппарат с биологической обратной связью для коррекции дыхания "Биокорд-01". Паспорт АФИН 941514.007ПС).

Блок индикации 2 обеспечивает отображение дыхательной активности пациента, эталонную дыхательную активность и установленное значение частоты эталонного дыхания. Он содержит подключенные к двунаправленной много разрядной шине и блоку питания 7 (фиг.2) линейный индикатор 8 дыхания пациента, линейный индикатор 9 эталонного дыхания, линейный индикатор 10 частоты эталонного дыхания. Индикаторы 8, 9, 10 представляют светодиодные сборки и реализованы на основе микросхем DC-10GWA.

Блок установки параметров дыхания 3 содержит подключенные к двунаправленной много разрядной шине (фиг.3) регуляторы 11 увеличения и уменьшения 12 частоты эталонного дыхания и регулятор 13 установки нуля на индикаторе дыхания пациента. Регуляторы 11, 12 и 13 могут быть выполнены в виде тактовых кнопок типа ПКН-159.

Усилитель-преобразователь 4 обеспечивает усиление сигнала датчика дыхательных движений и согласование уровня сигнала со входом контроллера 1. Он может быть выполнен на микросхеме КР1401УД2А (см. Паспорт АФИН 941514.007ПС).

Датчик дыхательных движений 5 преобразует механические смещения брюшной стенки пациента, вызванные дыхательными движениями диафрагмы, в электрический аналоговый сигнал. Датчик закрепляют на пациенте в области подреберья нерастяжимым поясом.

Датчик дыхательных движений состоит из капсулы Марея, соединенной с преобразователем давления типа ПДП 300-К. Капсула Марея преобразует механическое перемещение чувствительной мембраны в колебания давления воздуха в корпусе капсулы. Преобразователь давления преобразует колебания давления воздуха в переменное электрическое напряжение, которое подается на вход усилителя-преобразователя 4.

Регулятор усиления 6 обеспечивает установку необходимого уровня сигнала на выходе усилителя-преобразователя 4 и может быть выполнен в виде переменного резистора типа СП3-4бМ.

Блок питания 7 предназначен для преобразования напряжения сети 220 В 50 Гц в напряжение для питания цепей микросхем контроллера 1, блока индикации 2, датчика дыхательных движений 5 и напряжения питания усилителя-преобразователя 4. Блок питания выполнен по схеме, приведенной в Паспорте АФИН 941514.007ПС.

Аппарат для коррекции дыхания с биологической обратной связью используют следующим образом.

На боковой стенке электронного блока находится выключатель сетевого питания, а на задней панели находятся разъем для подключения датчика дыхания и ввод сетевого шнура.

Датчик дыхательных движений 5 закрепляют на пациенте в области подреберья нерастяжимым поясом. При этом эластичная мембрана датчика 5 соприкасается с брюшной стенкой. Датчик преобразует механические смещения брюшной стенки пациента, вызванные дыхательными движениями диафрагмы, в электрический аналоговый сигнал. Электрический сигнал датчика усиливается, преобразуется в код и отображается на линейном индикаторе 8 дыхания пациента в виде пульсирующего столбика. На параллельно расположенном линейном индикаторе 9 эталонного дыхания отображается в виде такого же столбика эталонное дыхание, формируемое самим аппаратом. Частоту эталонного дыхания можно устанавливать в интервале 5-25 вдохов в минуту нажатием регуляторов 11 и 12 увеличения и уменьшения частоты эталонного дыхания. Численное значение частоты дыхания отображается в виде светящегося сегмента на третьем индикаторе 10 частоты эталонного дыхания.

При фиксации на теле пациента мембрана датчика дыхательных движений 5 прижимается к кожным покровам и в фазе максимального выдоха на датчике возникает некоторый начальный уровень сигнала, отображающийся на шкале в виде нескольких засвеченных сегментов. Этот исходный уровень сигнала принимается за нуль и фиксируется нажатием регулятора 13 установка нуля дыхания пациента. В фазе максимального вдоха сигнал датчика 5 должен отображаться в виде светящегося столбика максимальной высоты. Для установки максимального уровня высоты светящегося столбика на индикаторе 8 служит регулятор 6 усиления. Вращением его ручки в фазе максимального вдоха устанавливают максимальный уровень засветки индикатора 8.

Цель применения аппарата при лечении бронхиальной астмы состоит в обучении пациента дыханию с пониженной частотой (в замедленном ритме), уменьшенной длительностью вдоха и увеличенной продолжительностью выдоха. В фазе вдоха нормальной глубины вращением регулятора 6 усиления высоту столбика на шкале индикатора 8 дыхания пациента устанавливают на делениях 18-20. После нескольких вдохов в произвольном ритме пациент старается синхронизировать свое дыхание с движением столбика на индикаторе 9 эталонного дыхания так, чтобы ритм движения и высота обоих столбиков были одинаковы.

Когда пациент добивается синхронизации, тем самым несколько замедлив свое дыхание и "затянув" выдох, он нажимает регулятор 12 уменьшения частоты эталонного дыхания, снижает частоту эталонного ритма, замедляя его и следуя замедленному ритму. Замедление ритма проводят до выхода пациента из состояния гипервентиляции и перехода в состояние нормовентиляции.

Лечение бронхиальной астмы с использованием патентуемого аппарата состоит в изменении стереотипа дыхания под аппаратным контролем. Предварительно проводят 2-3 занятия без аппарата по обучению диафрагмальному дыханию ("дыханию животом") и общей релаксации с поддержанием позы. В занятиях с аппаратом частоту дыхания больного постепенно понижают, причем отношение вдоха, выдоха и паузы сначала устанавливается 1:1:1, затем 1:2:2. Некоторые больные предпочитают дышать очень редко - порядка 6-8 вдохов в минуту - и с соотношением 1/3/3.

Продолжительность занятия с аппаратом 4-5 минут, курс - 6-7 занятий. Далее детям рекомендовали заниматься подобным образом дома без аппарата, хотя на практике они вне обострения занимались редко и лишь использовали полученные навыки релаксации и уреженного дыхания животом для купирования приступов. 25 детей получили по 2-3 курса занятий с аппаратом с интервалом 4-6 месяцев.

До занятий у большинства детей дыхание было неритмичным, иногда относительно учащенным и чрезмерно углубленным, после курса занятий - ритмичным и уреженным. У детей 5-7 лет частота дыхания до занятий на разработанном аппарате была в среднем около 22, к концу курса во время занятия снижалась до 15,7 и при выписке из клиники была 16,4; у детей 12-14 лет эти цифры, соответственно, 16; 10,3 и 9,4.

За время работы с аппаратом лечено более 200 больных возраста 5-14 лет, главным образом со среднетяжелой формой астмы в после приступном и межприступном периоде; купировали приступы данной методикой у 20 детей. Клинические результаты заключаются в уменьшении объема лекарственной терапии, удлинении ремиссии, урежении частоты приступов, а также в общеукрепляющем воздействии, проявляющемся, в частности, тем, что дети реже болеют респираторными заболеваниями.

Формула изобретения

Аппарат для коррекции дыхания с биологической обратной связью, содержащий контроллер, двунаправленной многоразрядной шиной связанный с блоком цифровой индикации, который включает индикатор дыхания пациента и индикатор эталонного дыхания, выход контроллера подключен к третьему входу усилителя-преобразователя, четвертый вход которого подключен к выходу регулятора усиления, пятый вход - к выходу датчика дыхательных движений, а выход - ко второму входу контроллера, и блок питания, первый выход которого подключен к первым входам контроллера, блока цифровой индикации, датчика дыхательных движений и усилителя-преобразователя, второй вход которого подключен ко второму выходу блока питания, отличающийся тем, что аппарат снабжен блоком установки параметров эталонного дыхания, который содержит регуляторы увеличения и уменьшения частоты эталонного дыхания и установки нуля на индикаторе дыхания пациента, а блок цифровой индикации дополнительно содержит индикатор частоты эталонного дыхания, при этом контроллер и блок установки параметров эталонного дыхания связаны двунаправленной многоразрядной шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4