Создание прибора для исследования биомеханики дыхания в условиях космического полета

Целью данной работы было создание прибора для исследования биомеханики дыхания в условиях космического полета. Такой прибор должен быть достаточно простым в использовании, так как с ним должен работать оператор, не являющийся специалистом в области физиологии дыхания или пульмонологии. Прибор, выполняет две функции.

Первая функция — измерение всех обычных объемно-скоростных показателей функции легких (дыхательный объем, частота дыхания, минутная вентиляция легких, жизненная емкость легких, резервные объемы вдоха и выдоха, пиковые скорости вдоха и выдоха, индекс Тиффно и т. д.). Для измерения объемной скорости потока воздуха использован сетчатый датчик типа Лилли с дифференциальным манометром. Измеренные мгновенные величины потока через АЦП поступают к встроенному ПК, который вычисляет все производные параметры, выдаваемые на принтер и экран. Проблемы разработки пневмотахометров такого типа достаточно подробно освещены в литературе, поэтому здесь рассматриваться не будут.

Вторая функция прибора — определение параметров механики дыхания методом вынужденных колебаний. Данный метод был предложен давно, но из-за относительной сложности метода и нерешенности многих технических вопросов он пока не нашел столь широкого применения, как пневмо-тахометрия. Метрологическое обеспечение метода вынужденных колебаний — калибровка, оценка ошибки определения импеданса — необходимо как для «космического», так и для любого клинического варианта прибора. Поэтому в данной статье основное внимание уделено техническим и метрологическим вопросам разработки приборов, основанных на методе вынужденных колебаний.

В основе метода лежит следующая процедура измерений. С помощью внешнего устройства (динамика или насоса) создают колебания потока и давления воздуха в определенном диапазоне частот. Колебания давления регистрируются манометром, колебания потока — пневмотахометром или фотоэлементом, связанным с движением мембраны насоса.

Рисунок 1 - Фотография осцилляторного блока.

Для рассматриваемого прибора разработан выносной осцилляторный блок, в котором объединены осцилляторный насос и датчик давления (рис. 1). К осцилляторному блоку подсоединены эталонная трубка и мундштук с загубником и сеткой. Обследуемый пациент во время измерений держит за ручку этот блок (массой около 1 кг) и дышит через него. Благодаря такому конструктивному решению выносной блок соединен с основной частью прибора только электрическими проводами без пневматических соединений. Насос создает колебания потока на пяти определенных частотах с последовательным переключением их по сигналу от ПК. Положение поршня насоса регистрируется фотоэлементом, давление на выходе насоса — датчиком давления. По измеренным сигналам давления и потока определяется механический импеданс подсоединенной системы (действительная и мнимая части). Далее по действительной части импеданса определяется сопротивление; а по мнимой части импеданса — растяжимость и инерционность всей системы дыхания, верхних дыхательных путей, а также системы дыхания без верхних дыхательных путей. Все вычисленные параметры распечатываются с помощью устройства термопечати.

• Устройство прибора
• Программное обеспечение и обработка сигналов
• Режимы измерений и вычисления параметров механики дыхания