|
|
|
Сопротивление |
|
|
|
Сопротивление |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
v1 |
|
|
|
|
|
|
|
v2 |
|
|
v1 |
|
|
|
|
|
|
|||
А1 |
|
|
|
|
А1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
A2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р1 |
|
|
|
Р2 |
|
|
|
|
|
Р1 |
|
|
|
Р2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дифференциальный |
|
|
|
|
|
|
|
Дифференциальный |
|
|
|
|
|
|
|||||||
датчик давления |
|
|
|
|
|
|
|
датчик давления |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
а |
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.8. Резистивные элементы пневмотахометра: а – экран; б – капилляры или каналы
На рис. 2.8, а показан вариант, в котором элемент выполнен из одного или нескольких экранов из мелкой сетки и располагается перпендикулярно потоку Q (при этом просвет сосуда может быть дополнительно сужен). Перепад давлений P = P2 – P1 измеряют в поперечном к потоку направлении с помощью отведений на стенке трубки (в пограничном слое потока). Давление, создаваемое отведенным потоком газа, регистрируется дифференциальным манометром с измерительной цепью.
Вариант конструкции резистивного элемента пневмотахометра в виде блока (сборка) тесно упакованных капилляров или каналов, ориентированных вдоль потока, показан на рис. 2.8, б. Считается, что у этих типов пневмотахометров (расходомеров) зависимость потока от перепада давления является практически линейной в широком диапазоне, причем эти физические величины совпадают по фазе.
Как правило, резистивный элемент размещают в трубке круглого сечения. Перепад давления измеряют в поперечном к потоку направлении по
стенке трубки (в пограничном слое потока). Отвод для измерения на каждом из концов резистивного элемента представляет собой одно или множество отверстий, образующих круглый канал в стенке трубки, который подсоединен к общему внешнему патрубку.
Внешний вид датчика пневмотахометра представлен на рис. 2.9.
Существуют и другие варианты механических объемных расходомеров. Рассмотрим некоторые из них.
51
Рис. 2.9. Внешний вид датчика пневмотахометра
Вихревые расходомеры (расходомеры с мишенями). В расходомерах данного типа основным элементом является дискообразная или шарообразная мишень, укрепленная на эластичном тросе, один противоположный конец которого неподвижно закреплен (рис. 2.10) [15]. Поток жидкости или газа приводит к смещению мишени, что вызывает деформацию троса, а установленные на нем тензодатчики регистрируют тип и степень деформации. Полученные данные позволяют судить о скорости потока вещества, а также о его направлении.
Эластичный трос |
|
|
|
Мишень |
|
с тензодатчиками |
|
|
|
|
|
|
|
|
Направление потока
Рис. 2.10. Схема расположения ключевых элементов вихревого расходомера
Достоинством таких датчиков является возможность проведения измерений расхода и скорости потока в двух или даже в трех различных направлениях. Для обеспечения подобной многозадачности необходимо обеспечить симметричность мишени для всех нужных направлений.
Рассмотрим структуру серийного пневмотахометра, представленную на рис. 2.11.
В данном приборе на датчике дифференциального давления формируется сигнал, который в дальнейшим преобразуется в цифровую форму на 24битном АЦП. Также данный прибор оборудован датчиками атмосферного давления, температуры и влажности, т. е. тех физических величин, которые могут оказать прямое или косвенное влияние на результат измерений объемной скорости потока. Формируемые ими сигналы оцифровываются и поступают на микропроцессор, где осуществляется корректировка значений объемной скорости с учетом показаний всех датчиков. В дальнейшем они могут быть переданы на внешнее устройство через интерфейс USB.
52
|
|
|
Датчик |
|
АЦП |
|
|
|
|
|
Преобразователь |
|
|
|
|
Процессор |
|
|
|||
|
|
дифференциального |
|
|
|
|
|
|||
потока |
|
|
|
24 бита |
|
USB |
|
|
||
|
|
давления |
|
|
|
USB |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Датчик атмосферного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АЦП |
|
|
|
|
||
|
|
|
давления |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
10 бит |
|
Блок питания |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Датчик |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
температуры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Датчик |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
влажности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.11. Структурная схема пневмотахометра
Еще одним прибором, предназначенным для измерения скорости потока воздуха, является пикфлоуметр. В отличие от пневмотахометров, функциональные возможности пикфлоуметра скромнее: он предназначен для определения одного единственного параметра – пиковой объемной скорости выдоха. Прибор позволяет оценить состояние работы органов дыхания при таких заболеваниях легких, как хронический бронхит или бронхиальная астма, а также применяется в целях анализа эффективности принимаемых препаратов. Принцип действия механического пикфлуометра очень прост и основан на вертикальном перемещении стрелки под давлением на нее воздушного потока. Существуют также электронные пикфлоуметры, но они не получили такого широкого распространения, как механические.
На рис. 2.12 представлен типичный представитель класса механических пикфлоуметров – MicroPeak.
Рис. 2.12. Пикфлоуметр MicroPeak 53
Прибор состоит из мундштука и собственно датчика, значение пиковой скорости отмечается на шкале красной меткой. Достаточно часто прибор градуируется в цветовой шкале, в этом случае зеленый диапазон означает норму, желтый – наличие функциональных нарушений, а красный – наличие явной патологии.
Основные технические характеристики прибора представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Основные технические характеристики пикфлуометра MicroPeak
Характеристика |
Значение |
Наличие цветовой шкалы должных значений |
Да |
Пределы значений |
60…900 л/мин |
Разрешение |
10 л/мин |
Точность |
Менее ±5 % или 10 л/мин |
Несмотря на простоту, прибор достаточно информативен в клиническом смысле, а также может применяться в домашних условиях самими пациентами, поэтому он нашел широкое применение как средство мониторинга состояния дыхательной системы (прежде всего, у больных бронхиальной астмой). Однократное измерение пикового потока может ввести в заблуждение, поэтому измерения проводятся минимум три раза с небольшими перерывами, а затем фиксируется наилучший результат.
Ведение дневника самоконтроля и регистрация значений пикового потока дважды в день позволяет в течение нескольких недель выстроить диаграмму для объективной оценки состояния пациента и корректирования проводимой терапии. Изменчивость пикового потока – это ключевой индикатор, указывающий, что пациент получает адекватное лечение. У больных с хроническим течением бронхиальной астмы дневная изменчивость PEF составляет: до 8 % – у обычных пациентов; до 15 % – у пациентов с тяжелым течением болезни. Увеличение изменчивости (появление «утренних провалов») – признак обострения астмы. На рис. 2.13 показан пример того, как пикфлоуграмма зависит от состояния пациента.
Наиболее часто используемыми показателями, характеризующими состояние механики дыхания, являются абсолютный объем легких и объем газа в легких при различных дыхательных маневрах. Измерение объема легких чаще всего проводят путем измерения объема газа, проходящего через выходное отверстие. Этот метод называют спирометрией, а соответствующие приборы – спирометрами.
54
а |
б |
в |
Рис. 2.13. Зависимость пикфлоуграммы от состояния пациента: а – неконтроллируемая астма; б – начало лечения; в – астма под контролем
В этом типе приборов изменения объема датчиков в процессе дыхания достигаются либо за счет того, что камеры изготавливаются из эластичного материала с гофрированным профилем (сильфоны), либо применяются камеры, состоящие из двух частей: внешней неподвижной и внутренней подвижной. Для фиксации объема между фазами вдоха и выдоха и разделения фаз дыхания используются клапаны. В спирометрах с подвижной частью роль клапана выполняет вода, налитая во внешний корпус. Поэтому такие спирометры называются водяными или жидкостными. Спирометры с эластичной камерой называются сухими. Управление газовыми потоками, проходящими через сильфоны, производится механическими клапанами различной конструкции.
Подвижная часть водяных спирометров выполняется в виде колокола (полого тонкостенного цилиндра), перемещающегося вверх и вниз вдоль внешнего корпуса 2, заполненного водой 4 (рис. 2.14, а). При подаче воздуха через трубку 3 колокол 1 перемещается вверх вследствие увеличения давления в его верхней части. Перемещение будет пропорционально объему воздуха, который выдохнул пациент в трубку 3. По известным геометрическим размерам колокола и его перемещению рассчитывается объем выдыхаемого воздуха. Поэтому соответствующая шкала может быть выполнена непосредственно на стенке колокола.
55
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
4
2
3 |
|
3 |
|
V |
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
а |
|
б |
|
Рис. 2.14. Водяной (а) и сухой (б) датчики спирометра: а: 1 – колокол; 2 – внешний корпус; 3 – трубка; 4 – вода; б: 1 – сильфон; 2 – прижимная пружина; 3 – клапан
Водяной спирометр в истории медицины является одним из первых приборов, предназначенных для измерения параметров человека. Впервые подобная конструкция была создана в 1813 г. [16]. Современные жидкостные спирометры развились из прибора, созданного Д. Хатчинсоном в 1846 г. [17], несколько его вариантов представлено на рис. 2.15.
В настоящее время водяные спирометры вышли из употребления в клинической практике, однако продолжают использоваться для учебных целей. На рис. 2.16 представлен современный жидкостный спирометр, разработанный компанией Philips. Он представляет собой высокоточный прибор академического качества, который сочетает в себе надежность и точность с увеличенным максимальным измеряемым объемом, что позволяет обследовать учащихся с большей жизненной емкостью легких. Прибор специально разработан для удовлетворения потребностей современных преподавателей физиологии. По полученным измерениям можно определить пять различных объемов дыхания: дыхательный объем (количество воздуха, выдыхаемого или вдыхаемого при нормальном дыхании), максимальный объем вдоха (количество воздуха, которое можно вдыхать с большим усилием после нормального выдоха), резервный объем вдоха (максимальный объем вдоха минус дыхательный объем), резервный объем выдоха
56
(количество воздуха, которое можно выдохнуть после нормального выдоха) и жизненная емкость (общий объем максимальной емкости выдоха плюс дыхательный объем). Прибор имеет большие, легкие для чтения градуировочные шкалы, одноразовые мундштуки и односторонний пластиковый клапан для санитарного использования в классе; он также прост в транспортировке и хранении [17].
Рис. 2.15. Спирометр Хатчинсона
В сухом спирометре (рис. 2.14, б) в зависимости от объема выдыхаемого воздуха изменяется длина сильфона 1. В исходном состоянии он максимально сжат. Поток воздуха открывает клапан 3, который подпружинен пружиной 2, и увеличивает объем сильфона на величину, равную объему измеряемого воздуха. При прекращении потока воздуха V клапан 3 садится на свое седло в трубке, и некоторое время сохраняется то положение сильфона, которое соответствует объему выдохнутого воздуха. Из-за невысокой герметичности клапана или с помощью дополнительного клапана сильфон возвращается в исходное положение.
57
Рис. 2.16. Современный жидкостный спирометр
Внешний вид медицинского сильфона представлен на рис. 2.17.
Другая разновидность сухих спирометров работает по принципу движения пневматического поршня и в отличие от сильфонных конструкций получила широкое распространение. В данном приборе выдыхаемый пациентом воздух подается в цилиндрическую камеру, имеющую соответствующую градуировку, по которой может свободно перемещаться поршень, сделанный из легкого материала. Под давлением выдыхаемого воздуха поршень поднимается вверх по цилиндру, по величине его перемещения можно судить и об
Рис. 2.17. Медицинский сильфон объеме выдохнутого воздуха. Довольно часто
58
подобные приборы объединяют в единый корпус с тренажерами дыхания. На рис. 2.18 представлен пример подобного прибора. Справа можно видеть измерительный цилиндр со шкалой, левая часть прибора используется для тренировки, меняя положения синих фиксаторов на боках цилиндров можно задать целевое значение для тренировки.
Индикатор
Маркер 
Поршень 
Гибкая трубка
Мундштук
Рис. 2.18. Поршневой спирометр
Спирометры градуируются в единицах объема, погрешности которых в значительной степени зависят от степени герметичности присоединительных элементов, с их помощью дыхательные пути пациента соединяются с прибором.
Спирометры выпускаются как самостоятельные изделия и в составе более сложных приборов, которые осуществляют графическую регистрацию процесса внешнего дыхания. Эти приборы называются спирографами.
Спирография может проводиться с поступлением в систему прибора наружного воздуха – открытая система дыхания и без поступления наружного воздуха – закрытая система дыхания.
Открытая система позволяет проводить более длительные исследования, так как при ее использовании дыхание не затрудняется. Однако спирографы с
59
открытой системой получили меньшее распространение, чем спирографы с закрытой системой, из-за их меньшей информативности.
Спирография при дыхании в замкнутом пространстве основана на уменьшении объема выдыхаемой газовой смеси за счет потребленного организмом кислорода. Углекислый газ, выделенный организмом, поглощается химическим поглотителем, имеющимся внутри спирографа. Поэтому в смеси он не занимает места поглощенного кислорода. Рассмотрим структуру спирографов подобного типа.
5 9
|
10 |
|
|
|
|
|
|
11 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
12 |
|
|
||
1 4
7
8 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.19. Структурная схема спирографа
Принцип действия спирографа с дыханием в замкнутом пространстве следующий: от маски 1, накладываемой на нос и рот пациента, по трубке 4 выдыхаемый воздух подается в спирометр, состоящий из неподвижной 2 и подвижной 3 частей. Воздух из подвижной части отводится с помощью трубки 6 и насоса с мотором 7 и подается в поглотитель 8, откуда воздух, лишенный углекислого газа, поступает в маску 1. Перемещение подвижной части через блок 5 и грузик 9 передается на перо 10 (или на преобразователь «перемещение – электрический сигнал») и записывается на цилиндр 11, вращаемый двигателем 12. Подвижная часть поднимается и опускается, соответственно, с выдохом и вдохом, при этом опускается все время за счет поглощения кислорода в дыхательной системе. Эти движения записываются и представляют собой спирограмму. Рис. 2.20 дает представление о внешнем виде подобных систем.
60