Подвижный
цилиндр
Дыхательная
трубка
Регистрирующее |
|
|
|
Воздух |
Емкость |
|
|||
устройство |
|
|
|
|
|
с водой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.20. Методическая схема регистрации спирограммы
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. Рассмотрим схему пневмотахометра, реализующего также подсчет объемов воздуха, которым дышит пациент (рис. 2.21).
|
|
|
Пуск |
|
|
|
|
|
ФПИ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S1.1 |
|
|
|
||
НО1 |
|
|
|
Тг1 |
|
|
|
|
|
|
К1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОР
|
|
|
|
|
|
|
|
Хранение Сброс |
|
||||
НО2 |
|
|
|
|
|
Тг2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СС |
|
|
К2 |
|
Инт |
|
|
ЦИП |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
S1.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГрРг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.21. Структурная схема пневмотахометра-спирометра
61
Вэтой схеме сигнал с объемного расходомера (ОР) поступает на входы нуль-органов (НО) и на вход графического регистратора (ГрРг), который по одному из каналов воспроизводит кривую объемного расхода дыхательной газовой смеси. Нуль-органы срабатывают в момент перехода сигнала объемной скорости потока через нулевой уровень и выдают импульсы, соответствующие моменту смены фазы дыхания. Импульсы, снимаемые с выхода первого нуль-органа, условно считаются «Началом вдоха», а с выхода второго – «Началом выдоха». Пневмотахометр синхронизируется импульсами «Начало вдоха» и «Начало выдоха» и обеспечивает работу в двух режимах:
1) измерение объема одиночного вдоха;
2) измерение объема одиночного выдоха.
Отключение устройства от интегратора обеспечивает его работу в непрерывном режиме интегрирования. В режиме измерения объема одиночного вдоха спаренный переключатель (S1.1, S1.2) находится в верхнем положении. Перед началом работы формирователь пускового импульса (ФПИ) вырабатывает импульс «Пуск», устанавливающий триггеры Тг1 и Тг2 в исходное состояние. При этом ключ К2, управляемый триггером Тг2, открыт и пропускает сигнал объемной скорости потока на вход интегратора (Инт), а ключ К1, управляемый триггером Тг1, осуществляет сброс интегратора в нуль и блокирует его. При заблокированном интеграторе интергирование сигнала объемной скорости потока не происходит. Кроме того, триггер Тг1 запрещает работу схемы совпадения (СС).
Если в процессе исследования при смене фазы дыхания первым срабатывает второй нуль-орган (НО2) и выдает импульс «Начало выдоха», то этот импульс через замкнутые контакты S1.2 поступает на вход СС, второй вход которой находится под запрещающим потенциалом с выхода Тг1, и поэтому импульс «Начало выдоха» не переключит Тг2. Далее срабатывает НО1 и выдает импульс «Начало вдоха», который через контакты S1.1 переключит Тг1. При этом запрет со схемы совпадения и блокировка с интегратора ключом К1 снимаются.
Вэто время происходит интегрирование сигнала объемной скорости до момента времени, когда его уровень достигнет нулевого значения. Кроме того, срабатывает НО2, начиная цикл начала выдоха путем переключения Тг2 через схему совпадения, сравнивающую Тг1 и НО2. В этом состоянии тригерра Тг2 ключ К2 отключает сигнал пневмотахограммы от интегратора, который переводится в режим «Хранение», запоминая величину объема вдоха.
62
Кроме этого, сигналом со схемы совпадения включается схема цифрового измерительного прибора (ЦИП), подключенного к выходу интегратора.
Врежиме измерения объема одиночного выдоха переключатели S1.1 и S1.2 переводятся в среднее положение, в результате чего нуль-органы по отношению к остальным элементам схемы меняются местами, а алгоритм работы всей схемы не меняется. Для интегрирования в непрерывном режиме переключатели S1.1 и S1.2 переводятся в нижнее положение. В этом режиме ключ К1 снимает блокировку с интегратора, который ключом К2 подключается к выходу датчика объемной скорости потока дыхательной газовой смеси.
Взависимости от особенностей конструкции подобные спирометрыпневмотахометры можно разделить на несколько групп [16].
Стационарный спирометр – максимально оснащенный и многофункциональный прибор с расширенными возможностями эксплуатации. Обычно в стационарных спирометрах предусмотрено печатающее устройство, чаще всего они представляют собой настольные приборы больших габаритов.
Портативный спирометр – малогабаритный прибор со стандартным набором всех необходимых функций и измерений, который обычно имеет принтер и может устанавливать соединение с персональным компьютером через Bluetooth или USB. Благодаря мобильности и удобной системе навигации портативный спирометр может стать «карманным» устройством, которое легко возить с собой.
Компьютерный (или компьютеризированный) спирометр – устройство,
работающее при подключении к ПК, оснащенное специальным программным обеспечением. Как правило, имеет расширенный набор функций и измерений, удобен и прост в применении.
Электронный спирометр – современное устройство, отображающее график поток–объем и график объема воздуха. Более совершенная версия спирометров – приборы, которые могут определять рост, массу тела и возраст пациента по результатам исследования.
Ручной спирометр – самый простой вариант устройства, позволяющий оценивать объем воздуха, который выдыхается в первую секунду теста. Результаты, получаемые в данном случае после диагностики, сопоставляются с нормальными стандартными показателями, что и позволяет выявить отклонения.
Рассмотрим в качестве примера портативных спирометров прибор MicroLab, внешний вид которого представлен на рис. 2.22.
63
Портативный спирометр MicroLab оборудован цветным экраном, интуитивно простой системой управления и встроенным аккумуляторным устройством. Он позволяет проводить спирометрические тестирования взрослых пациентов и детей.
Рис. 2.22. Внешний вид спирометра MicroLab
В базовую комплектацию спирометра MicroLab входит датчик «Золотой стандарт», с помощью которого можно проводить измерения с высокой точностью. При этом возможно измерение даже малых потоков воздуха. Благодаря малогабаритности и легкости спирометр MicroLab легко транспортируется. Датчик может стерилизоваться в специальном холодном растворе в течение 10 минут. Калибровка датчика не нужна, так как он не проявляет чувствительности к изменениям температуры и влажности.
Основные технические характеристики прибора представлены в табл. 2.2.
|
Таблица 2.2 |
Основные технические характеристики спирометра MicroLab |
|
|
|
Характеристика |
Значение |
Количество измеряемых показателей |
37 |
Размер памяти |
Более чем на 2500 полных тестов |
Тип принтера |
Встроенный термопринтер |
|
с высокой скоростью печати |
Точность |
±3 % согласно стандартам ATS |
|
(1994 г.) |
Размеры датчика |
50 × 60 × 90 мм |
64
|
Окончание табл. 2.2 |
|
|
Характеристика |
Значение |
Система индикации |
Цветной экран высокого разрешения |
|
с активной матрицей |
Интерфейс управления прибором |
Управление интерфейсом через |
|
экран с иконками с помощью |
|
стилуса или компьютерной мыши |
Ширина бумаги |
110 мм |
Подключение к ПК |
Через интерфейс mini-USB |
Разрешающая способность |
10 мл для объема, 0,03 л/с для потока |
Тип питания |
От сети и встроенных аккумуляторов |
Размеры прибора |
255 × 120 × 35 мм |
В качестве примера компьютерных спирометров рассмотрим прибор Spiro USB, внешний вид которого представлен на рис. 2.23.
Рис. 2.23. Внешний вид спирометра Spiro USB
Спирометр Spiro USB характеризуется стабильной точностью измерения и предназначен для комплексного исследования функций дыхательной системы. Данный спирометр работает на базе ПК и подразумевает возможность проведения диагностики и тестирования у взрослых пациентов и детей.
Компьютеризированный спирометр Spiro USB может быть подключен к порту USB. Оснащенный интуитивно понятным интерфейсом (многооконным), спирограф дает пользователю возможность обнаруживать до 41-го спирометрического показателя. Кроме того, аппарат позволяет выполнять
65
спирометрию на высоком профессиональном уровне и предполагает построение открытой и закрытой петель. Программа Spiro USB может выполнять наложение текущих петель и петли, используемые для прошлых тестирований, чтобы пользователь мог провести сравнения.
Эргономика спирометра выражается, прежде всего, в легкой поисковой системе, построении трендов результатов и наличии функции определения возраста легких и интерпретации результатов.
Основные технические характеристики прибора представлены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Основные технические характеристики спирометра Spiro USB
Характеристика |
Значение |
Количество измеряемых показателей |
41 |
Общие габариты спирографа |
50 × 60 × 90 мм |
Вес спирографа (без компьютера) |
130 г |
Программное обеспечение |
Spirometry PC |
Точность |
±3 % согласно стандартам ATS |
|
(1994 г.) |
Разрешение |
10 мл для объема, 0,03 л/с |
|
для потока |
Рис. 2.24. Внешний вид спирометра MicroPlus
В качестве примера компьютерных спирометров рассмотрим прибор MicroPlus, внешний вид которого представлен на рис. 2.24.
Ручной спирометр MicroPlus – бюджетное устройство, главное назначение которого – диагностика состояния и функции внешнего дыхания. В данном аппарате предусмотрена возможность передачи результатов проведенных исследований на персональный компьютер пользователя.
MicroPlus отличается высокой эргономичностью. Спирограф позволяет определить несколько ключевых показателей: FEV1 – объем форсированного выдоха, FVC – форсированная жизненная емкость легких, PEF – пиковая скорость выдоха, FEV1/FVC – модифицированный индекс Тиффно. Он может быть интегрирован с компьютерными программами PC Spirometry, посредством которых пользователь получает
66
возможность работы с обширной базой данных, в том числе с результатами проведенных ранее измерений, графиками, данными о пациентах и другой необходимой информацией.
Тестирования могут выполняться в режиме реального времени. Небольшой вес спирометра и его малые габариты делают его транспортабельным и удобным для индивидуального самостоятельного использования пациентом с респираторными заболеваниями. Ручной спирометр MicroPlus также востребован в условиях стационара и может применяться для контроля динамики заболевания, качества лечения и самого скрининга.
Основные технические характеристики прибора представлены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Основные технические характеристики спирометра MicroPlus
Характеристика |
Значение |
Количество измеряемых показателей |
4 |
Общие габариты спирографа |
170 × 60 × 26 мм |
Вес спирографа |
175 г |
Диапазон измерений объема |
0,1…9,99 л |
Система индикации |
ЖК-дисплей |
Питание |
От батареек |
Тип датчика |
Турбинный однонаправленный датчик |
Диапазон измерений потока |
0,2…15,00 л/с |
Точность |
±3 % |
Интерфейс для подключения к ПК |
RS-232 |
В медицинской практике для измерения объема легких используются также методы респираторной плетизмографии. В пульмонологии применяют два основных способа плетизмографии, предназначенных для оценки изменения объема грудной полости: измерение геометрических параметров грудной клетки в некоторых специальных участках тела (пример датчика, предназначенного для этого, приведен на рис. 2.25), альтернативой ему является оценка влияния изменений торакального объема на параметры газа внутри плетизмографической камеры, где находится все тело (рис. 2.26).
Рис. 2.25. Датчик для измерения объема грудной клетки
67
Рис. 2.26. Регистрация общей плетизмограммы
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. Другой принцип измерения основан на том, что 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.
68
3. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ, АППАРАТЫ И СИСТЕМЫ
Изучение акустических колебаний, возникающих при функционировании органов и систем биологического организма, осуществляется методами фонографии. Акустические колебания характеризуют качество работы сердечной мышцы, клапанов, сердца, крупных сосудов, подходящих к сердцу; свойства потоков крови; работу сухожилий и т. д. Они появляются в результате механических колебаний соответствующих биологических структур организма.
В медицинской практике используется аппаратура как изучающая собственные шумы организма, так и регистрирующая реакцию структур биообъектов на «локацию» звуковыми волнами.
3.1. Приборы для исследования состояния слуховой системы (аудиометры и импедансометры)
При проведении аудиометрических исследований с применением технических средств в практической медицине используются несколько основных методов. При этом основными диагностическими показателями являются пороги слышимости, определяемые как минимальные величины раздражителей, которые вызывают ощущение идентифицируемой информации на фоне помех. Различают абсолютный и дифференциальный пороги чувствительности [15].
Абсолютный порог чувствительности измеряется в абсолютных величинах раздражителя, который испытуемый ощущает на фоне внутренних шумов и помех. Минимальная разница между двумя раздражителями, действующими последовательно или параллельно, которая воспринимается испытуемым, носит название дифференциального порога. При оценке состояния звукового анализатора исследуются как абсолютный, так и дифференциальный пороги. Человек воспринимает колебания, интенсивность которых находится в диапазоне от порогового до болевого значения.
Метод исследования абсолютных порогов восприятия пациентом звуковых колебаний называется аудиометрией. Приборы, предназначенные для исследования характеристик слуха, называются аудиометрами.
Существует несколько методик проведения аудиометрии, различающиеся характером предоставляемых стимулов и измеряемыми величинами.
Речевая аудиометрия. Принцип метода заключается в исследовании восприимчивости пациента к звуковой волне. Находясь в особых изолированных условиях, специалист шепотом произносит слова, которые должен
69
распознать пациент. Очевидным недостатком методики является ее субъективность и сильная зависимость от квалификации, опыта и индивидуальных речевых особенностей специалиста
Тональная аудиометрия. Суть данного метода – изучение интенсивности стимула, нижней и верхней границы чувствительности пациента. Специалист выясняет, как пациент воспринимает звуковые волны различной частоты. Процедура предполагает применение особых наушников, посредством которых передаются сигналы. В данном случае для передачи звука может использоваться воздушная и костная проводимость.
В первом случае распространение звука реализуется через костные ткани черепа. При этом подача сигналов осуществляется непосредственно в само внутреннее ухо в обход среднего уха. Это позволяет определять пороги слуха. Во время процедуры на голове пациента определенным образом фиксируется костный вибратор.
Во втором случае эксперт исследует частотную зависимость амплитуды колебаний звука, которые проходят в полость уха через воздух. Благодаря данному анализу можно выявить снижение воздушного звукопроведения. Во время процедуры на голове пациента также фиксируются специальные наушники, затем на них подаются особые сигналы по воздушной проводимости, проводится оценка слуховой чувствительности на разных уровнях частоты.
Существует большое количество различных аудиометров, из которых можно выделить следующие.
Скрининговые аудиометры. Если необходимо выполнение тональной диагностики (воздушная звукопроводимость), то, как правило, рекомендуется остановить выбор на скрининговом аудиометре. Обычно в них не предусмотрено измерение костной проводимости. Анализ порогов слышимости начинается после условного сигнала.
У отдельных скрининговых моделей имеется встроенный микрофон, который будет использован пациентом во время скрининга. При этом должны быть созданы условия полной изоляции. Для скрининга также применяются специальные наушники, кнопка пациента, кабель электропитания, бланки для аудиограммы. Скрининговые аппараты чаще всего используются в медицинских центрах и поликлиниках специалистами, работающими с большим потоком пациентов.
70