21. Аппаратура для исследования механических характеристик системы дыхания. Спирометры и спирографы.
Наиболее часто используемыми показателями, характеризующими состояние механики дыхания, являются абсолютный объем легких и объем газа в легких при различных дыхательных маневрах. При этом различают следующие основные легочные объемы:
1) Общая емкость легких (ОЕЛ) – емкость после максимального вдоха;
2) Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальный объём воздуха, который может быть набран в лёгкие после максимально полного выдоха;
3) Остаточный объем легких – часть общего объема, оставшегося после максимального выдоха;
4) Дыхательный объем легких – часть общего объема, участвующего в нормальном дыхании;
5) Минутный объем дыхания (МОД) – количество воздуха, циркулирующего в легочной системе за одну минуту.
Измерение объема легких чаще всего проводят путем измерения объема газа, проходящего через выходное отверстие. Этот метод называют спирометрией, а соответствующие приборы – спирометрами.
В этом типе приборов изменения объёма датчиков в процессе дыхания достигаются либо за счёт 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 объёма между фазами вдоха и выдоха и разделения фаз дыхания применяются клапаны.
Водяной спирометр
Роль клапана выполняет вода, налитая во внешний корпус. Поэтому такие спирометры называются водяными или жидкостными.
Подвижная часть водяных спирометров выполняется в виде колокола (полого тонкостенного цилиндра), перемещающегося вверх и вниз вдоль внешнего корпуса 2, заполненного водой 4 (рисунок (а)). При подаче воздуха через трубку 3 колокол 1 перемещается вверх вследствие увеличения давления в верхней его части. Перемещение будет пропорционально объёму воздуха, который выдохнул пациент в трубку 3. По известным геометрическим размерам колокола и его перемещению рассчитывается объём выдыхаемого воздуха. Поэтому соответствующая шкала может быть выполнена непосредственно на стенке колокола.
Сухой спирометр
Спирометры с эластичной камерой называются сухими. Управление газовыми потоками, проходящими через сильфоны, производится механическими клапанами различной конструкции.
В сухом спирометре (рисунок (б)) в зависимости от объёма выдыхаемого воздуха изменяется длина сильфона 1. В исходном состоянии он максимально сжат. Поток воздуха открывает клапан 3, который подпружинен пружиной 2 и увеличивает объём сильфона на величину, равную объёму измеряемого воздуха. При прекращении потока воздуха V клапан 3 садится на своё седло в трубке, и некоторое время сохраняется то положение сильфона, которое соответствует объёму выдохнутого воздуха. Из-за невысокой герметичности клапана, или с помощью дополнительного клапана сильфон возвращается в исходное положение.
Спирометры выпускаются как самостоятельное изделие и в составе более сложных приборов, которые осуществляют графическую регистрацию процесса внешнего дыхания. Эти приборы называются спирографами.
Спирография может проводиться с поступление в систему прибора наружного воздуха – открытая система дыхания и без поступления наружного воздуха – закрытая система дыхания.
Открытая система позволяет проводить более длительные исследования, т. к. при её использовании дыхание не затрудняется. Однако спирографы с открытой системой получили меньшее распространение, чем спирографы с замкнутой системой дыхания, из-за их меньшей информативности.
Спирография при дыхании в замкнутом пространстве основана на уменьшении объёма выдыхаемой газовой смеси за счёт потреблённого организмом кислорода. Углекислый газ, выделенный организмом, поглощается химическим поглотителем (натронная известь), имеющимся внутри спирографа. Поэтому в смеси он не занимает места поглощённого кислорода.
Функциональная схема спирографа с дыханием в замкнутом пространстве.
Принцип действия: от маски 1, накладываемой на нос и рот пациента, по трубке 4 выдыхаемый воздух подаётся в спирометр, состоящий из неподвижной 2 подвижной 3 частей. Воздух из подвижной части отводится с помощью трубки 6 и насоса с мотором 7 и подаётся в поглотитель с натронной жидкостью 8, откуда воздух, лишённый углекислого газа подаётся в маску 1. Перемещение подвижной части через блок 5 и грузик 9 передаётся 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 всё время за счёт поглощения кислорода в дыхательной системе. Эти движения записываются и представляют собой спирограмму.
В настоящее время классические спирометрические системы, предполагающие прямое определение жизненной емкости легких, практически вышли из употребления в клинической практике (кроме поршневых систем). Вместо них для определения объема вдыхаемого или выдыхаемого воздуха используются пневмотахометры. Подобное применение возможно за счет того, что объем воздуха является интегралом от его объемной скорости.
В зависимости от особенностей конструкции подобные спирометры-пневмотахометры можно разделить на несколько групп:
- Стационарный спирометр
- Портативный спирометр
- Компьютерный (или компьютеризированный) спирометр
- Электронный спирометр
-Ручной спирометр
С помощью спирографов удается оценить все легочные объемы, кроме остаточного. Последний определяется или исходя из анализа содержания азота в выдыхаемом воздухе при открытой системе дыхания, или методом создания воздушно-гелиевой дыхательной смеси при закрытой системе дыхания.
В медицинской практике для измерения объема легких используются также методы респираторной плетизмографии. Термин «плетизмография» относится к измерению объема или его вариации для всего тела, или же его некоторой части. В пульмонологии применяют два основных способа плетизмографии, предназначенных для оценки изменений объема грудной полости: 1) измерение геометрических параметров грудной клетки в некоторых специальных участках тела; 2) оценка влияния изменений объема грудной клетки на параметры газа внутри плетизмографической камеры, где находится все тело.
Существует несколько типов приборов для непрерывного измерения движений грудной клетки, связанных с изменением ее объема. При дыхании меняется электрический импеданс грудной полости, который можно регистрировать, чтобы следить за дыхательной активностью. Большинство типов дыхания характеризуется двумя основными степенями свободы: движением ребер грудной клетки и движением диафрагмы. Эти двигательные акты регистрируются магнитометрами, тензодатчиками и переменными индуктивностями, работающими одновременно в грудном и брюшном отделах грудной клетки.
Определение абсолютного объема легких может осуществляться методами общей плетизмографии, когда пациент помещается в специальную камеру постоянного объема, в которой производится регистрация изменения давления в процессе дыхания.
Перечисленные датчики могут являться составной частью соответствующих измерительных приборов, преобразующих величины механических перемещений в электрическое напряжение, которое далее преобразуется для регистрации и последующей обработки.