Способ импедансной спирографии для изучения динамики дыхательной функции человека и аппаратно-программный комплекс для его осуществления

Группа изобретений относится к биофизике, медицинской технике. Используется для измерения импеданса и фазового угла сдвига тока и напряжения биологических жидкостей при проведении спирографии. Измерения проводят на частоте в диапазоне 10-30000 герц с использованием датчика и скоростного аналого-цифрового преобразователя (сАЦП). Электроды датчика располагают в выходной части мундштука, заполненной поролоновым цилиндром, находящимся в соприкосновении с электродами датчика. Вычисляют параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха. По полученной кривой дыхания с учетом (z) и (φ) определяют динамику мышечной активности при дыхании. Аппаратно-программный комплекс для импедансной спирометрии состоит из (сАЦП) и датчика, в состав которого входят мундштук и электроды. Выходная часть мундштука заполнена поролоновым цилиндром, а электроды в виде металлических пластин попарно диаметрально электрически объединены и расположены попарно диаметрально по окружности мундштука таким образом, что находятся в соприкосновении с поролоном. Датчик связан с измерительным полумостом, который вместе с эталонным полумостом подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты. Выходы полумостов подключены к двум каналам сАЦП, где сАЦП и генератор выполнены с возможностью управления компьютером. Способ повышает быстродействие измерительного блока, увеличивает объем измеряемой информации и возможности измерительного блока по вычислению параметров спирографии и анализу состояния мышечной активности легких и тканей пациента непосредственно во время измерения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано для измерения импеданса (z) и фазового угла (ϕ) сдвига тока и напряжения биологических жидкостей при проведении спирографии.

Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому способу является способ диагностики функции внешнего дыхания с помощью импедансной спирографии (см. патент на изобретение РФ №2487662, опубл. 20.07.2013), в котором используют биполярный метод поличастотной импедансометрии с определением модульного значения импеданса (|Z|) и фазового угла (ϕ) на частотах 20, 98, 1000, 5000, 10000, и 20000 Гц переменного электрического тока малой мощности во время ингаляции 0,9% раствора хлорида натрия с помощью программно-аппаратного комплекса «БИА-лаб Спиро», первый электрод устанавливают в мундштук ультразвукового небулайзера, второй располагается на коже грудной клетки либо в регионе исследования, либо объединяя электроды, установленные на симметричных участках грудной клетки, например, по средним подмышечным линиям на уровне VI межреберья, проводят измерение, и при отклонении модульного значения импеданса (Z) и/или фазового угла (ϕ) менее 5 или более 95 персентилей от нормальных значений диагностируют нарушение функции внешнего дыхания.

Недостатками способа являются:

1. Размещение электродов в разных местах, один - на груди пациента, а второй - в мундштуке, увеличивает расстояние между электродами, а, следовательно, и длину пути тока, что вызывает резкое увеличение величины импеданса и снижение точности измерений.

2. Размещение электрода на груди пациента снижает достоверность измерений, т.к. в этом случае путь тока зависит от электрических свойств тканей пациента (толщина жирового слоя, толщина мышечной ткани, свойства легочных тканей), что вызывает неодинаковое абсолютное значение импеданса у различных пациентов, а это приводит к затруднению диагностики возможных заболеваний. Кроме того, такое размещение создает появление дополнительных помех в измерительной цепи, что снижает точность измерений.

3. Использование лишь нескольких фиксированных частот для зондирования из широкого возможного диапазона влечет снижение информативности способа.

4. Использование небулайзерного ультразвукового ингалятора приводит к удорожанию способа и к ограничению его применения.

Итак, недостатками вышеуказанного способа являются погрешность и недостоверность измерений, недостаточная информативность способа.

Задачами предлагаемого изобретения являются повышение точности и достоверности результатов измерения, расширение информативности способа.

Для этого предлагается способ импедансной спирографии для изучения динамики дыхательной функции человека, использующий биполярный метод импедансометрии с измерением модульного значения импеданса (z) и фазового угла (ϕ) при переменном электрическом токе малой мощности, при этом измерения проводят на любой частоте в диапазоне 10-30000 герц с использованием датчика и скоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во время вдоха и выдоха пациента через мундштук датчика, при этом электроды датчика располагают в выходной части мундштука, заполненной поролоновым цилиндром, находящимся в соприкосновении с электродами датчика, в результате измерений вычисляют параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха, по полученной кривой дыхания с учетом (z) и (ϕ), определяют динамику мышечной активности при дыхании.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что измерения проводят на любой частоте в диапазоне 10-30000 герц с использованием датчика и скоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во время вдоха и выдоха пациента через мундштук датчика, при этом электроды датчика располагают в выходной части мундштука, заполненной поролоновым цилиндром, находящимся в соприкосновении с электродами датчика, в результате измерений вычисляют параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха, по полученной кривой дыхания с учетом (z) и (ϕ), определяют динамику мышечной активности при дыхании.

Частота дыхания вычисляется по периоду записанных кривых процесса, по амплитуде и частоте дыхания вычисляется объем легких, состояние мышечной активности тканей оценивается по скорости нарастания и спада кривых процесса - чем больше скорость (то есть первая производная по времени) - тем активнее ткани легких. Последнее заключение делается на основе проведения серии опытов с разными пациентами, прошедшими диагностику на других приборах (УЗИ, рентген, обычную спирографию).

Во время испытаний вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух свободно проходит через поролоновый цилиндр, оставляя на нем следы выдыхаемых человеком газов и жидкостей в виде пара.

При выдохе за счет конденсации паров на поролоне импеданс уменьшается, а при вдохе происходит испарение и уход паров из поролона, что вызывает увеличение импеданса. Эти колебания величины импеданса и фазового угла регистрируются аппаратно-программным комплексом, выполненным на базе скоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и персонального компьютера.

Предварительно поролоновый цилиндр может быть пропитан электрически активным веществом. В первом случае (без пропитки) величина импеданса достигает величины 700-800 Ком (см. рис. 1), а с пропиткой падает до уровня 50-15 Ком (см. рис. 2). Уменьшение величины импеданса повышает точность и стабильность измерений.

Предварительно поролоновый цилиндр может быть пропитан химически активным веществом, которое вступает в реакцию с выдыхаемыми парами воздуха, в результате чего величина электрического сопротивления химически активного вещества меняется, что позволяет определить химический состав выдыхаемых паров воздуха. А это, в свою очередь, позволяет диагностировать у больных определенные заболевания, например, астму.

Действующее переменное напряжение на датчике в мундштуке не превышает 10 вольт, что совершенно безопасно для человека.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является аппаратно-программный комплекс для электроимпедансной спирометрии (см. патент на изобретение РФ №2487662, опубл. 20.07.2013), характеризующийся тем, что содержит измерительный блок, включающий ноутбук и электроды, один из которых расположен на груди пациента, а другой - в мундштуке, который подключен к ультразвуковому небулайзерному ингалятору.

Недостатками устройства являются:

1. Используемый измерительный блок не позволяет вести регистрацию процесса вдоха-выдоха более 18 секунд, что существенно снижает информативность полученных данных, так как очень важно просмотреть динамику процесса вдоха-выдоха хотя бы 10-15 циклов.

2. Недостаточное быстродействие измерительного блока, составляющее 192000 точек измерения в секунду (576000 точек / 3 секунды) по одному каналу. Лучше использовать два канала с быстродействием не менее 250000 точек измерения в секунду по каждому.

3. Использование моста Уитстона для определения импеданса и фазового сдвига по его разбалансу нецелесообразно, лучше использовать два отдельных полумоста (эталонный и измерительный), связанных с двумя каналами измерительного блока. Это повышает точность измерения, позволяет регистрировать величины зондирующего тока и напряжения, что дает более информативные сведения о процессе вдоха-выдоха.

4. Недостатки, отмеченные по п. 1-2 не позволяют в процессе измерения получить график изменения величины импеданса во времени в течение хотя бы одной минуты, что соответствует примерно 15 миллионам точкам измерения, по которому непосредственно в процессе измерения можно вычислить параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха, проанализировать состояние мышечной активности легких и тканей пациента.

Итак, недостатками вышеуказанного устройства являются: невозможность просматривать динамику процесса вдоха-выдоха, вычислять параметры спирографии и анализировать состояние мышечной активности легких и тканей пациента непосредственно в процессе измерения.

Задачами предлагаемого изобретения являются: повышение быстродействия измерительного блока, увеличение объема измеряемой информации и расширение возможностей измерительного блока с целью вычисления параметров спирографии и анализа состояния мышечной активности легких и тканей пациента непосредственно во время измерения.

Для решения поставленных задач предлагается аппаратно-программный комплекс для импедансной спирометрии, состоящий из датчика, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), мундштука и электродов, при этом датчик состоит из мундштука и электродов, АЦП представляет собой скоростной АЦП, выходная часть мундштука заполнена поролоновым цилиндром, а электроды в виде металлических пластин попарно диаметрально электрически объединены и расположены попарно диаметрально по окружности мундштука таким образом, что находятся в соприкосновении с поролоном, датчик связан с измерительным полумостом, который вместе с эталонным полумостом подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты, выходы полумостов подключены к двум каналам скоростного АЦП, где АЦП и генератор выполнены с возможностью управления компьютером.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что датчик состоит из мундштука и электродов, АЦП представляет собой скоростной АЦП, выходная часть мундштука заполнена поролоновым цилиндром, а электроды в виде металлических пластин попарно диаметрально электрически объединены и расположены попарно диаметрально по окружности мундштука таким образом, что находятся в соприкосновении с поролоном, датчик связан с измерительным полумостом, который вместе с эталонным полумостом подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты, выходы полумостов подключены к двум каналам скоростного АЦП, где АЦП и генератор выполнены с возможностью управления компьютером.

Изобретение поясняется рис. 3, где показана блок-схема аппаратно-программного комплекса, состоящего из датчика 1, связанного с измерительным полумостом 3, который вместе с эталонным полумостом 4 подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты 2. Выходы полумостов 3, 4 подключены к двум каналам скоростного АЦП 5, управляемого с помощью компьютера 6. Генератор 2 также управляется компьютером 6 и позволяет задавать любую частоту в диапазоне 10-30000 герц и амплитуду синусоидального сигнала в диапазоне 10-10000 милливольт.

Применение двух полумостов 3, 4 позволяет регистрировать не только величину импеданса и фазового сдвига, но и величину зондирующего тока и напряжения, и непосредственно в процессе опыта измерять фазовый сдвиг, записывая последовательно точки синусов эталонного и измерительного полумостов и обрабатывая их на компьютере.

Скоростной АЦП 5 имеет высокую чувствительность (14 двоичных разрядов на входное напряжение 5 вольт) и высокое быстродействие (тактовая частота - 250 килогерц на каждый канал), что позволяет через его буфер передавать полученные данные непосредственно в оперативную память (ОЗУ) компьютера 6 и там осуществлять их первичную обработку.

Благодаря высокому быстродействию АЦП 5 и программному обеспечению компьютера 6, в процессе опыта постепенно разворачивается график изменения величины импеданса во времени, по точкам которого рассчитываются параметры спирографии и мышечной активности легких. По завершению опыта эти данные выводятся на монитор компьютера в виде таблиц и графиков (рис. 4).

Конструкция датчика 1 (вариант выполнения с 4-мя электродами) изображена на рис. 5. Датчик состоит из мундштука 7, выходная часть которого заполнена поролоновым цилиндром 8, и электродов 9 в виде узких металлических пластин.

Аппаратно - программный комплекс работает следующим образом:

Оператор на программной панели управления комплексом (см. рис. 4) задает время измерения (до 8 минут), частоту зондирующего тока (10-30000 герц), амплитуду напряжения синуса зондирующего тока (10-10000 милливольт). Далее пациент берет мундштук 7 в рот и делает несколько пробных вдохов выдохов, затем оператор включает пуск, запуская работу всех блоков, комплекса, связанных между собой, и в течение времени опыта пациент дышит ртом через мундштук 7. На программной панели комплекса каждый вдох и выдох будет отображен на графике, и по мере поступления данных будут вычисляться параметры спирографии. По завершении опыта прием данных будет остановлен автоматически, и результаты будут выданы в виде таблиц и графиков.

Предварительно, перед началом измерений, оператор может подготовить датчик на мундштуке 7 - смочить цилиндр из поролона 8 либо электрически активным веществом, если требуется определить параметры спирографии, либо химически активным веществом, если требуется определить химический состав выдыхаемых паров воздуха.

1. Способ импедансной спирографии для изучения динамики дыхательной функции человека, использующий биполярный метод импедансометрии с измерением модульного значения импеданса (z) и фазового угла (ϕ) при переменном электрическом токе малой мощности, отличающийся тем, что измерения проводят на любой частоте в диапазоне 10-30000 герц с использованием датчика и скоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во время вдоха и выдоха пациента через мундштук датчика, при этом электроды датчика располагают в выходной части мундштука, заполненной поролоновым цилиндром, находящимся в соприкосновении с электродами датчика, в результате измерений вычисляют параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха, по полученной кривой дыхания с учетом (z) и (ϕ) определяют динамику мышечной активности при дыхании.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поролоновый цилиндр пропитывают электрически активным веществом

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поролоновый цилиндр пропитывают химически активным веществом и анализируют химический состав выдыхаемых паров воздуха.

4. Аппаратно-программный комплекс для импедансной спирометрии, состоящий из датчика, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), мундштука и электродов, отличающийся тем, что датчик состоит из мундштука и электродов, АЦП представляет собой скоростной АЦП, выходная часть мундштука заполнена поролоновым цилиндром, а электроды в виде металлических пластин попарно диаметрально электрически объединены и расположены попарно диаметрально по окружности мундштука таким образом, что находятся в соприкосновении с поролоном, датчик связан с измерительным полумостом, который вместе с эталонным полумостом подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты, выходы полумостов подключены к двум каналам скоростного АЦП, где АЦП и генератор выполнены с возможностью управления компьютером.