Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси

 

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для длительного непрерывного контроля и измерения процентного содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси пациента на вдохе и выдохе. Аппарат содержит отражатель, излучатель, измерительную камеру, вход которой соединен с патрубком подачи дыхательной смеси, на входе которого установлен адаптер, соединенный магистралью с влагоотделителем, который соединен с первым входом пневморегулятора, второй вход которого через поглотитель СО₂ связан с атмосферой. Выход камеры соединен с помпой для отбора дыхательной смеси. За камерой смонтированы оптические интерференционные фильтры, а за ними расположены первый и второй приемники оптического излучения, которые через предусилители подключены к первому и второму входам блока обработки сигналов, который двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления. Аппарат содержит также блок питания. Устройство характеризуется повышением точности измерения, эксплуатационных характеристик, а также устойчивости и надежности в работе. 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам инфракрасной фотометрии, и предназначено для длительного непрерывного контроля и измерения процентного содержания двуокиси углерода (CO₂) в дыхательной смеси пациента на вдохе и выдохе. Изобретение найдет применение в отделениях анестезиологии, интенсивной терапии, хирургии, дыхательной терапии больниц, клиник и других медицинских учреждений.

Известен аппарат для непрерывного контроля двуокиси углерода в дыхательной смеси (проспект датской фирмы "Bruel & Kjaer", монитор модели 1304, опубликован - июль 1986 г.), содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, прерыватель с тремя рядами различных по форме и количеству отверстий и измерительную камеру. В передней части измерительной камеры установлены оптические фильтры, форма которых соответствует форме отверстий прерывателя. Таким образом, обеспечивается соответствие частоты прерывания и длины волны падающего света спектрам поглощения исследуемых газов дыхательной смеси: двуокиси углерода (СО₂), закиси азота (N₂O) и паров анестетиков. Проба газа засасывается в измерительную камеру через влагоотделитель и регулятор потока с помощью помпы. В измерительной камере поглощение падающего света приводит к изменениям давления каждого газа с частотой, соответствующей частоте прерывания ИК-излучения. В результате создаются пульсации давления, которые регистрируются микрофоном. Суммарный сигнал с микрофона подвергается аналого-цифровому преобразованию, а после фильтрации и обработки формируются текущие значения концентраций анализируемых газов в реальном масштабе времени. На экране блока индикации и управления отображается кривая изменения концентрации CO₂ на вдохе-выдохе (капнограмма) и числовые значения содержания других газов дыхательной смеси.

Известный аппарат обладает рядом существенных недостатков: - наличие механических подвижных узлов и деталей заметно снижает надежность работы аппарата; - отсутствие эталонного сигнала снижает точность измерения концентраций газов в пробе из-за нестабильности оптоэлектронного тракта, особенно из-за нестабильности интенсивности источника излучения; - технологическая сложность изготовления оптических фильтров и отверстий прерывателя с определенной формой значительно повышает себестоимость аппарата в целом; - неизбежное загрязнение измерительной камеры в процессе эксплуатации требует частой калибровки аппарата и соответственно вызывает простои в его работе и увеличивает затраты на обслуживание.

Известен аппарат для непрерывного контроля двуокиси углерода в дыхательной смеси (проспект финской фирмы "Dateks Instrumentarium Corp., опубликованный в сентябре 1988 г.), содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, эталонную и измерительные камеры. Измерительная камера соединена с патрубком подачи измеряемой дыхательной смеси, на входе которого смонтирован влагоотделитель, а на выходе - помпа для отбора пробы дыхательной смеси. За эталонной и измерительной камерами расположен обтюратор с оптическими интерференционными фильтрами для СО₂ и N₂O и приемник оптического излучения, размещенный в оптическом фокусе второго отражателя и подключенный через предусилитель к первому входу блока обработки сигнала, который соединен двунаправленной многоразрядной шиной с блоком управления и индикации. Блок питания аппарата подключен ко входам помпы, предусилителя, приемника оптического излучения, блоку обработки сигнала и блоку управления и индикации.

Известный аппарат выполнен двухканальным, что позволяет осуществлять непрерывный контроль и измерение процентного содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси пациента путем сравнения показаний эталонной камеры и измерительной.

Анализ схемотехники аппарата и оценка результатов использования его в медицинской практике свидетельствуют о наличии существенных конструктивных и эксплуатационных недостатков: - наличие механических подвижных узлов и деталей заметно снижает надежность работы аппарата; - неизбежное загрязнение измерительной камеры в процессе эксплуатации требует частой калибровки аппарата и соответственно вызывает простои в его работе и увеличивает затраты на обслуживание.

Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси, повышения эксплуатационных характеристик, а также устойчивости и надежности работы аппарата.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом.

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси, содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, измерительную камеру, соединенную с патрубком подачи измеряемой дыхательной смеси, на входе которого установлен влагоотделитель, а на выходе - помпа для отбора пробы дыхательной смеси, оптические интерференционные фильтры для СО₂ и N₂O, приемник оптического излучения, подключенный через предусилитель к первому входу блока обработки сигналов, который двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления и индикации, и блок питания, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к входу блока индикации и управления, третьему входу блока обработки сигнала, второму входу первого предусилителя и к помпе, согласно настоящему изобретению снабжен переключателем потока газов, установленным после влагоотделителя перед измерительной камерой на патрубке подачи дыхательной смеси, первый вход переключателя соединен с влагоотделителем, а второй через поглотитель CO₂ связан с атмосферой и последовательно соединенными вторым приемником оптического излучения и вторым предусилителем.

Согласно изобретению первый и второй приемники оптического излучения расположены каждый за соответствующим оптическим фильтром на его оптической оси, выход второго приемника излучения через второй предусилитель подключен ко второму входу блока обработки сигналов, а пятый выход блока питания подключен к второму входу второго предусилителя.

Согласно настоящему изобретению излучатель соединен со вторым выходом блока обработки сигнала и выполнен в виде быстродействующего селективного источника излучения, перекрывающего диапазон спектров поглощения СО₂ и NО₂.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении надежности и устойчивости работы аппарата за счет отсутствия подвижных узлов и деталей в измерительном тракте аппарата и улучшении эксплуатационных характеристик измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси пациента. Непрерывное измерение СО₂ в дыхательной смеси в условиях ингаляционного наркоза часто происходит с использованием закиси азота высокой концентрации (до 70%). Присутствие в смеси молекул N₂О из-за эффекта расширения столкновения оказывает заметное влияние на результаты измерения концентрации СО₂. Поэтому в аппаратах для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси необходимо измерять концентрацию N₂О и автоматически вводить поправку в показания СО₂. Для оптического разделения сигналов, соответствующих каждому из газов, используются узкополосные фильтры с λ_max= 3,9 мкм для N₂О и λ_max=4,27 мкм для СО₂. Технология изготовления многослойных интерференционных фильтров позволяет получить фильтры с высокой добротностью, с полушириной спектрального диапазона ±0,1 мкм. Этим обеспечивается достаточная селективность фильтрации, которая практически исключает взаимное влияние сигналов друг на друга несмотря на близость спектров поглощения этих газов. Использование быстродействующего селективного излучателя, перекрывающего диапазон спектров поглощения СО₂ (λ_max=4,27 мкм) и N₂O (λ_max=3,9 мкм), позволяет реализовать импульсный режим излучения необходимой длительности и скважности и электрически обеспечить устойчивую синхронизацию импульса излучения с импульсом считывания сигналов по каналам измерения СО₂ и N₂O. Такое схемотехническое решение обеспечивает устойчивую и надежную работу аппарата.

Излучатель, приемник излучения, электронный тракт обработки сигнала и оптические свойства измерительной камеры обладают заметной нестабильностью. Их дрейфы в сильной степени зависят от окружающей температуры, а оптические свойства измерительной камеры даже при достаточно надежной защите (влагоотделитель, фильтр) не остаются неизменными из-за неизбежно образующегося со временем на оптических элементах налета от прокачиваемого через камеру газа и возможных забросов конденсата. Чтобы исключить их влияние, измерительная камера периодически на короткое время используется как эталонная, когда через нее прокачивается газовая смесь из атмосферы, свободная от содержания СО₂ и N₂O. Параметры этих сигналов служат для коррекции рабочих сигналов, соответствующих содержанию СО₂ и N₂O в дыхательной смеси, и хранятся в памяти ОЗУ до следующего переключения. Таким образом, исключаются изменения и дрейфы оптико-электронного тракта и отпадает необходимость периодической калибровки аппарата.

Сущность изобретения поясняется примером конкретной реализации патентуемого аппарата и чертежами, на которых представлено: фиг.1 - блок-схема аппарата; фиг.2 - блок-схема блока 17 обработки сигналов; фиг.3 - укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата.

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси содержит (фиг.1) последовательно расположенные отражатель 1, в оптическом фокусе которого расположен излучатель 2, выполненный в виде импульсного селективного источника ИК-излучения, измерительную камеру 3, вход которой соединен с патрубком 4 подачи дыхательной смеси, на входе которого установлен адаптер 5, подключенный к дыхательному контуру пациента, соединенный магистралью 6 с влагоотделителем 7, который соединен с первым входом переключателя потока газов 8, второй вход которого через поглотитель СО₂ 9 связан с атмосферой. Выход измерительной камеры 3 соединен с помпой 10 для отбора дыхательной смеси. За измерительной камерой 3 смонтированы оптические интерференционные фильтры: фильтр 11 для СО₂ и фильтр 12 для N₂O. На оптической оси фильтров 11 и 12 расположены первый приемник оптического излучения 13 и второй приемник оптического излучения 14, которые соответственно через предусилители 15 и 16 подключены к первому и второму входам блока обработки сигналов 17, первый выход которого подключен к переключателю потока газов 8, второй выход - к излучателю 2, а своей двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления и индикации 18. Блок питания аппарата 19 первым, вторым, третьим, пятым и четвертым выходами подключен соответственно к первому входу блока управления и индикации 18, третьему входу блока обработки сигналов 17, вторым входам предусилителей 15 и 16 и к помпе 10.

Отражатель 1 с излучателем 2 представляют собой оптоэлектронное устройство, содержащее матрицу светодиодов, расположенную в фокусе эллиптического металлического отражателя и излучающую в области λ_max=0,9 мкм. Под воздействием этого излучения происходит вторичное переизлучение люминисцирующего вещества (люминофора), которое в соответствии с правилом Стокса сдвинуто в длинноволновую область спектра в диапазон спектров поглощения CO₂ и N₂О.

Измерительная камера 3 служит для подачи в нее по трубопроводу 4 (из пластика) дыхательной смеси от пациента. Камера 3 представляет собой герметичную емкость с окошками из прозрачного в области излучения 2-5 мкм сапфира.

Адаптер 5, магистраль 6 и влагоотделитель 7 обеспечивают забор газовой пробы из дыхательного контура пациента и отделение влаги, которая содержится в дыхательной смеси, от ее попадания в измерительную камеру 3, что отрицательно сказывается на точности измерений.

Переключатель потока газов 8 представляет собой обычный трехходовой клапан с электромагнитным управлением (например, распределитель MOZBH-3-0,5-12DC, см. каталог фирмы FESTO), что позволяет периодически подавать в измерительную камеру 3 либо дыхательную смесь пациента, либо атмосферный воздух через поглотитель СО₂ 9, представляющий собой контейнер с гранулами натронной извести.

Помпа 10 (например, марки 3003L фирмы ASF THOMAS) служит для отбора пробы дыхательной смеси пациента.

Оптические интерференционные фильтры 11 и 12 представляют собой нанесенные на сапфировую подложку многослойные покрытия, которые обеспечивают оптическое разделение сигналов в диапазоне спектров поглощения СO₂ (λ_max= 4,27 мкм) и N₂O (λ_max=3,9 мкм).

Приемники оптического излучения 13 и 14 представляют собой фоторезисторы на основе PbSe и служат для преобразования оптического излучения в электрический сигнал по каналам измерения СО₂ (λ_max=4,27 мкм) и N₂O (λ_max=3,9 мкм).

Предусилители 15 и 16 предназначены для предварительного усиления сигналов приемников оптического излучения 13 и 14 и могут быт выполнены, например, по схеме дифференциального усилителя.

Блок обработки сигналов 17 (фиг.2) содержит усилители с управляемым коэффициентом усиления 20 и 21, управляемые блоки резисторов R-2R 22 и 23, аналого-цифровой преобразователь 24, микроконтроллер 25 типа AT90MEGA-128, блок формирования сигнала управления переключателем потока газов 26 и блок формирования импульса запуска излучателя 27 и обеспечивает измерение, коррекцию и хранение измеренных сигналов, синхронизацию вспомогательных сигналов, а также обмен информацией с блоком управления и индикации 18 (подробная схемотехническая реализация элементов блока 17 отражена в технической документации заявителя на аппарат, см. АФИН 467444.009).

Блок управления и индикации 18 обеспечивает вывод измерительной и графической информации на экран и может быть выполнен в виде жидкокристаллического (ЖКИ) экрана с контроллером, например модель EL 320.240.36 фирмы "PLANAR".

Блок питания 19 обеспечивает вторичным стабилизированным питанием все электрические узлы и схемы и может быть выполнен по известной схеме (см., например, AC-DC Converter 25 W фирмы "Power-one").

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода работает следующим образом.

Включают блок питания 19 и подают напряжение на предусилители 15 и 16, блок обработки сигналов 17, блок управления и индикации 18 и помпу 10.

Переключатель потока газов 8 устанавливается в состояние отбора воздуха из атмосферы и измеряются эталонные сигналы по каналам N₂O и СО₂ (обнуление N₂O и СО₂, см. фиг.3), после чего переключатель 8 устанавливается в состояние отбора пробы газа из дыхательного контура пациента и устанавливается (программно) счетчик времени, определяющий периодичность процедуры обнуления. Далее производится непрерывное измерение текущих значений сигналов по каналам N₂O и CO₂, расчет и корректировка их значений, вывод текущего значения парциального давления РСO₂, которые отображаются на экране блока управления и индикации 18 в графическом виде (капнограмма). Поскольку диагностическое значение имеют максимальное значение РСО₂ в конце выдоха (P_ET СO₂), минимальное значение в конце вдоха (Р_INСО₂), частота дыхания (RR) и значение концентрации N₂O в дыхательной смеси на вдохе (F₁N₂O), эти значения определяются алгоритмически и выводятся на экран блока 18 в цифровом виде. Значения P_ET СО₂ RR и F₁N₂O проверяются на выход за пределы установленных границ, и в случае выхода за нижнюю или верхнюю границы происходит включение световой и звуковой тревожной сигнализации. В процессе работы программы происходит непрерывный опрос клавиатуры блока 18, с помощью команд которой производится изменение режимов работы аппарата и установка границ тревожной сигнализации. После истечения времени, установленного на счетчике, производится установка переключателя потока газов 8 в состояние отбора из атмосферы и цикл измерений повторяется. Момент переключения синхронизирован с моментом смены кадра при выводе графической информации.

Формула изобретения

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси, содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, измерительную камеру, соединенную с патрубком подачи измеряемой дыхательной смеси, на входе которого установлен влагоотделитель, а на выходе - помпа для отбора пробы дыхательной смеси, оптические интерференционные фильтры для СО₂ и N₂O, приемник оптического излучения, подключенный через предусилитель к первому входу блока обработки сигналов, который двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления и индикации, и блок питания, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к входу блока управления и индикации, третьему входу блока обработки сигнала, второму входу первого предусилителя и к помпе, отличающийся тем, что аппарат снабжен переключателем потока газов, установленным между влагоотделителем и измерительной камерой на патрубке подачи дыхательной смеси, первый вход переключателя соединен с влагоотделителем, а второй через поглотитель СО₂ связан с атмосферой, а выход - с измерительной камерой, вторым приемником оптического излучения и вторым предусилителем, первый и второй приемники оптического излучения расположены каждый за соответствующим оптическим интерференционным фильтром на его оптической оси, выход второго приемника излучения через второй предусилитель подключен ко второму входу блока обработки сигналов, а пятый выход блока питания подключен к второму входу второго предусилителя, при этом переключатель потока газов и излучатель связаны с выходами блока обработки сигнала, а излучатель выполнен в виде быстродействующего селективного источника излучения, перекрывающего диапазон спектров поглощения СО₂ и NО₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3