Пневмографический способ определения компонентов дыхательных движений
Владельцы патента RU 2382593:
Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Тверской государственный университет (RU)
Пневмографический способ определения компонентов дыхательных движений относится к области медицинской диагностики. Способ включает: размещение датчиков периметра грудной клетки и подреберья на теле человека, аппаратурную регистрацию электрического сигнала датчиков, построение калибровочного графика зависимости характеристики дыхательных движений от уровня электрического сигнала. При этом при имитации человеком дыхания с неизменным объемом легких записывают абдоминальную, торакальную и суммарную пневмограммы. Затем производят балансировку пневмограмм по принципу определения отношения дыхательных экскурсий грудной клетки и живота при изменении их объемов на равную величину и определяют балансировочные коэффициенты. Калибруют суммарную сбалансированную пневмограмму с помощью спирографа и определяют калибровочные коэффициенты для пневмограмм, представляющие собой изменения объема при изменении суммарного периметра на 1 мм, в мл/мм. Устанавливают как суммарный дыхательный объем, так и его составляющие: абдоминальный и торакальный компоненты. Использование данного способа позволяет исключить высокую погрешность определения, улучшить условия обследования. 6 ил.
Изобретение относится к нехирургическим способам медицинского обследования и может быть использовано для регистрации грудного (торакального) и брюшного (абдоминального) вкладов в суммарный дыхательный объем легких человека.
Наиболее близким к заявляемому является пневмографический способ определения дыхательных движений, предназначенный для измерений частоты дыхания, дыхательного объема и вентиляции легких (ATS/ERS Statement on Respiratory Muscle Testing, 2002, прототип), заключающийся:
- в размещении датчиков периметра грудной клетки на теле человека;
- в аппаратурной регистрации электрического сигнала датчиков;
- в построении калибровочного графика зависимости характеристики дыхательных движений: частоты дыхания, дыхательного объема и вентиляции легких, от уровня регистрируемого электрического сигнала;
- в анализе экстремумов пневмограммы и соотнесении их с калибровочным графиком.
Недостатки известного способа:
- высокая погрешность определения;
- неприменимость способа для определения абдоминального и торакального компонентов дыхательных движений;
- применение маски (надгортанника, мундштука, загубника).
Технический результат предлагаемого способа заключается в том, что с высокой точностью определяются абдоминальный и торакальный компоненты дыхательных движений, улучшаются условия медицинского обследования испытуемого.
Технический результат достигается тем, что в пневмографическом способе исследования дыхательных движений испытуемый, в отсутствие маски, имитирует дыхание с неизменным объемом легких, после чего осуществляется балансировка абдоминальной, торакальной и суммарной пневмограмм, определяются балансировочные коэффициенты, с помощью спирографа калибруется суммарная сбалансированная пневмограмма, устанавливаются калибровочные коэффициенты для абдоминальной и торакальной пневмограмм.
Исследованием уровня техники установлено, что пневмографических безмасочных способов определения абдоминального и торакального компонентов дыхательных движений не обнаруживается.
Сравнение свойств совокупности признаков известного способа определения дыхательных движений и заявляемого показывает, что
- известный способ, в отличие от предлагаемого, не может быть использован для определения абдоминального и торакального компонентов дыхания; он применяется лишь для качественных и грубых количественных измерений характеристик дыхательных движений;
- в известном способе не проводится коррекция пневмограмм, позволяющая устранить высокую погрешность определения; прелагаемый способ включает балансировку пневмограмм, обусловливающую прямую, линейную зависимость между электрическим сигналом датчиков и вкладом абдоминальной и торакальной составляющих в дыхательный объем;
- условия медицинского обследования в известном способе не комфортны для испытуемого, поскольку он предполагает использование надгортанника, мундштука или загубника; заявляемый способ является безмасочным.
Следовательно, заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия».
Изобретение поясняется графическими материалами, Фиг.1-4.
Фиг.1 - схема дыхательных движений ребер.
Фиг.2 - схема дыхательных движений диафрагмы (а) и брюшной стенки (б).
Фиг.3 - влияние невесомости на вклад абдоминального компонента в суммарный дыхательный объем; 1 - параболический полет (5 человек); 2 - параболический полет (5 человек); 3 - полет космической лаборатории D-2 на корабле Space shuttle (США, 3 человека); 4 - полет «Евромир-95» на космической станции «Мир» (Россия, 2 человека); 1G - измерения на Земле перед полетом в положении сидя (5); mG - измерения в невесомости (6).
Фиг.4 - Ab абдоминальная (1), Th торакальная (2) и Tot суммарная (3) пневмограммы.
Фиг.5 - размещение датчиков на теле человека.
Фиг.6 - балансировка пневмограмм: А - несбалансированные пневмограммы при имитации дыхательных движений; Б - сбалансированные пневмограммы.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Колебания внутрилегочного давления при вентиляции легких обусловлены ритмичными сокращениями двух основных мышечных групп: диафрагмы и межреберных мышц. Поскольку эти мышечные группы различаются морфологически, функционально и регуляторно, принято выделять два компонента внешнего дыхания: абдоминальный, обеспечиваемый в основном диафрагмой, и торакальный, обеспечиваемый межреберными мышцами. Исследования физиологии дыхания отмечают различное поведение реберного каркаса и диафрагмы брюшной стенки.
На Фиг.1 представлена схема дыхательных движений ребер. Ребра (1) совершают вращательные движения вокруг оси, соединяющей головку (2) и бугорок (3) позвонка. При вращательном движении в разных точках каркаса и в разных направлениях будут совершаться различные линейные перемещения. Дыхательные движения жесткого реберного каркаса (4) описываются одним параметром - углом поворота ребер. Движения менее жесткой брюшной стенки (5) с изменяющейся формой поверхности могут быть более сложными.
При дыхательных движениях ребра вращаются вокруг оси, соединяющей позвонки (6) и головки ребер. Во время вдоха происходит сокращение наружных межреберных мышц (7). Момент сил, направленных вверх, больше, чем момент сил, направленных вниз. Поэтому ребра приподнимаются, а грудная клетка увеличивается в поперечном и продольном направлениях. Во время выдоха, при сокращении внутренних межреберных мышц (8), происходят обратные процессы.
Фиг.2 иллюстрирует перемещения диафрагмы (1) и брюшной стенки (2). Перемещение диафрагмы вниз на вдохе является активным (3), а перемещение вверх на выдохе - пассивным (4); перемещение брюшной стенки вперед является пассивным, а перемещение назад при усиленном вдохе частично осуществляется за счет сокращения мышц брюшной стенки.
За последние 50 лет измерение абдоминального и торакального компонентов дыхательных движений стало распространенным методом исследования механики дыхания. Разработаны теоретические принципы выделения компонентов, различные способы измерения и калибровки приборов, установлены характерные величины вклада компонентов в суммарный дыхательный объем. Установлено, что при вертикальном положении тела человека в дыхательном объеме преобладает вклад торакального компонента, а при горизонтальном положении - абдоминального, выявлены различные реакции компонентов на функциональные нагрузки. Постепенно расширяются возможности клинического применения анализа картины дыхательных перемещений для диагностики заболеваний опорно-двигательного аппарата.
По соотношению абдоминального и торакального компонентов дыхательных движений можно судить о состоянии дыхательного аппарата и, следовательно, прогнозировать возможные дисфункции дыхательного процесса у человека, находящегося в нестандартной среде с лабильными параметрами, например в Космосе.
Влияние невесомости на вклад абдоминального и торакального компонентов в суммарный дыхательный объем представлено на Фиг.3 (M.Wantier et al. Chest wall mechanics in sustained microgravity. J. Appl. Physiol., 84, 1998). Видно, что пребывание человека в состоянии невесомости характеризуется значительным возрастанием вклада абдоминальной компоненты в суммарный дыхательный объем в сравнении с состоянием дыхательного процесса у человека в обычных условиях на Земле.
Существует несколько различных способов определения характеристик дыхательных движений.
Способ прямого контактного измерения перемещений (Konno, Mead, 1967) крайне трудоемок и в настоящее время не имеет практического применения.
Способ измерения с помощью магнетометров - индукционных катушек-датчиков, которые прикрепляются к передней и задней поверхности тела на уровне груди и живота (Mead et al., 1967), не позволяет добиться линейности сигнала датчиков в зависимости от характеристик дыхательных движений.
Наиболее перспективна оптоэлектронная плетизмография (ОЭП) (Dellaca, 2004). ОЭП характеризуется большой точностью определения пространственной картины перемещения участков поверхности тела человека в процессе дыхания. Однако ОЭП дорога и сложна в эксплуатации, поэтому применяется лишь для проведения исследовательских работ, а не в медицинской практике.
Пневмографический способ определения характеристик дыхательных движений (ATS/ERS Statement on Respiratory Muscle Testing, 2002, прототип) реализуется с помощью нескольких вариантов датчиков периметра грудной стенки. В первых вариантах использовали трубки, заполненные углем или ртутью. Их сопротивление изменялось при изменении длины трубки, что обусловливало, в свою очередь, изменение электрического сигнала, улавливаемого регистрирующей аппаратурой. В настоящее время используются различные материалы типа металлизированной резины, электрические свойства которых меняются при деформации. Существующие пневмографы в основном предназначены для качественных измерений, например, частоты дыхания. Они дают большую ошибку в измерении дыхательного объема и вентиляции, если человек совершает нестандартные дыхательные движения. Способ пневмографии использовался для грубого неколичественного контроля дыхательных движений. Еще во время космического полета Юрия Гагарина по каналам телеметрии на Землю передавали сигнал его пневмограммы.
Точность измерения характеристик дыхательных движений определяется линейностью сигнала датчика периметра в зависимости от измеряемой величины.
В выделении абдоминального и торакального компонентов дыхательных движений понятие степеней свободы и линейности системы дыхания имеют большое значение. Объем легких является функцией двух независимых переменных. В качестве этих переменных избирают линейные размеры (передне-задний диаметр или периметр) или какие-либо другие измеряемые физические параметры, связанные с объемами абдоминального и торакального участков грудной стенки. Таким параметром может быть импеданс проволочки, зигзагообразно расположенной в поясах и сегментах костюма, охватывающих, соответственно, абдоминальный и торакальный участки грудной стенки. Система определения характеристик дыхания является линейной, если изменение объема каждого компонента пропорционально изменению измеряемого физического параметра.
Если система открыта, то она имеет две степени свободы, а если закрыта - одну. Закрытая система дыхания (дыхательные пути перекрыты надгортанником, мундштуком, загубником) имеет одну степень свободы. При этом объем воздуха в легких остается постоянным, и изменение объема одного компонента по величине равно, а по знаку противоположно изменению объема другого компонента. Однако при усиленных или нестандартных дыхательных движениях изменяются форма поперечного сечения грудной клетки и перемещения верхнего и нижнего участков реберного каркаса. В этом случае у системы дыхания появляется третья степень свободы, и функция сигнала датчиков в зависимости от характеристик дыхательных движений приобретает сложный вид, отличный от простой линейной зависимости. Для компенсации действия причин, вызывающих нелинейность исследуемой системы дыхания, в заявляемом способе предложена балансировка абдоминальной, торакальной и суммарной пневмограмм (Фиг.4).
Принцип балансировки основан на определении отношения дыхательных экскурсий грудной клетки и живота при изменении их объемов на равную величину. Для того чтобы при балансировке объемы грудной клетки и живота изменялись одинаково, человек, подвергаемый медицинскому обследованию, задерживает дыхание и при неизменном объеме легких имитирует вдохи грудным компонентом, перекачивая воздух, вследствие чего абдоминальный компонент совершает пассивные движения противоположной направленности (Фиг.6, А). При анализе сигналов, поступающих с датчиков периметра грудной клетки и подреберья во время имитации дыхательных движений, вычисляются балансировочные коэффициенты, в результате применения которых сигналы становятся пропорциональными торакальному и абдоминальному вкладам в дыхательный объем (Фиг.6, Б).
Сбалансированные сигналы с датчиков периметра грудной клетки и подреберья суммируются. Суммарная пневмограмма калибруется посредством стандартного спирографа. Калибровочный коэффициент суммарной пневмограммы применяется для калибровки сбалансированных сигналов датчиков периметра грудной клетки и подреберья. Таким образом, пневмограф позволяет регистрировать величины дыхательных объемов и их торакальных и абдоминальных составляющих в единицах объема.
Способ осуществляется следующим образом.
На теле человека, подвергаемого медицинскому обследованию, на уровне середины грудины и в области подреберья размещают датчики периметра грудной клетки и подреберья (Фиг.5). Включают пневмограф. Обследуемый выполняет имитацию дыхания с неизменным объемом легких. Определяются параметры вариабельности сигналов датчиков, и рассчитывается коэффициент вариабельности.
Коэффициент вариабельности CV рассчитывается как отношение среднеквадратичного значения отклонения сигнала (σ) к среднему значению измеряемого параметра (x):
CV=σ/x (%).
По соотношению двух коэффициентов вариабельности рассчитываются балансировочные коэффициенты для абдоминальной и торакальной пневмограмм: kt и ka соответственно.
При умножении амплитуды сигнала на соответствующий балансировочный коэффициент сигнал становится пропорциональным вкладу абдоминальной или торакальной составляющей в дыхательный объем.
Затем с помощью спирографа производятся калибровка суммарной сбалансированной пневмограммы и определение калибровочного коэффициента: объемной стоимости (изменения объема при изменении суммарного периметра на 1 мм, в мл/мм). Зная суммарную объемную стоимость и сбалансированное изменение периметра грудной клетки и подреберья, умножением первой величины на вторую можно получить значения абдоминального и торакального компонентов в единицах объема.
Пример выполнения способа
Обследуется мужчина в возрасте 19 лет. Рост - 176 см, вес - 70 кг. Значения kt и ka 1,33 и 0,67, соответственно. После построения калибровочного графика получаем объемную стоимость: 14 мл/мм. Регистрируем изменение периметра грудной клетки и подреберья и получаем значения абдоминального и торакального компонентов дыхательного движения: 663 мл и 296 мл.
Пневмографический безмасочный способ регистрации абдоминальных и торакальных дыхательных движений может быть использован для медицинского обследования системы дыхания человека, находящегося в нестандартных условиях, например в Космосе, и для диагностики заболеваний дыхательного аппарата.
Пневмографический способ определения компонентов дыхательных движений, содержащий размещение датчиков периметра грудной клетки и подреберья на теле человека, аппаратурную регистрацию электрического сигнала датчиков, построение калибровочного графика зависимости характеристики дыхательных движений от уровня электрического сигнала, отличающийся тем, что при имитации человеком дыхания с неизменным объемом легких записывают абдоминальную, торакальную и суммарную пневмограммы, затем производят балансировку пневмограмм по принципу определения отношения дыхательных экскурсий грудной клетки и живота при изменении их объемов на равную величину и определяют балансировочные коэффициенты, калибруют суммарную сбалансированную пневмограмму с помощью спирографа и определяют калибровочные коэффициенты для пневмограмм, представляющие собой изменения объема при изменении суммарного периметра на 1 мм, в мл/мм; после чего устанавливают как суммарный дыхательный объем, так и его составляющие: абдоминальный и торакальный компоненты.
