Аппаратура для исследования механических характеристик системы дыхания. Спирометры и спирографы.

При исследовании функций внешнего дыхания значительное место занимают методы и средства контроля показателей механики вентиляции лёгких, которые характеризуются давлением, объёмом лёгких и скоростью его изменения.

Измерение показателей давления в дыхательной системе осуществляется с помощью специальных датчиков, конструкция которых аналогична конструкции датчиков для инвазивного измерения давления крови. Разница заключается в том, что на мембрану вместо жидкости давит газовый поток. При построении и расчёте таких датчиков следует учитывать, что акустическая растяжимость газа (в отличие от жидкости) часто лежит в тех же пределах, что и растяжимость измерительной мембраны. При измерении показателей давления дыхательного контура в основном измеряется разность давлений, которая, как правило, регистрируется при помощи дифференциальных манометров, имеющих две камеры, разделённые мембраной, с прикреплёнными тензодатчиками. Катетер, подводящий газ, подаётся в обе камеры, и для обеспечения требуемой точности измерений необходимо, чтобы характеристики передающих путей были идентичны во всём частотном диапазоне измерений. Схема измерительного канала датчиков дыхания аналогична схеме тензометрического измерителя давления, рассмотренной выше.

К измерительному каналу для оценки параметров дыхательного давления предъявляются следующие требования: диапазон измерения -10…+100 ГПА, предел допустимой погрешности ±2% - от полной шкалы, +4% от действительного значения, амплитудно-частотная характеристика – от 0 до 7 Гц с последующим спадом не менее 20 дБ на октаву. Современные датчики давления обеспечиваются механизмом термокомпенсации.

Каналы измерения давления используются во многих аппаратах искусственной вентиляции лёгких для мониторинга и управления процессом дыхания.

Измерение параметров, связанных с движением газа, несёт важную информацию о состоянии дыхательной системы. Объёмную скорость потока и интеграл от неё по времени используют для оценки скорости изменения объёма лёгких и, соответственно, изменения величины самого объёма. Приборы, предназначенные для измерения объёмной скорости газового потока, называют объёмными расходомерами. Объём, занимаемый некоторой массой газов при известных температуре и давлении, определяется спирометрами. При построении измерительных систем, регистрирующих проходящие потоки газов, датчики располагаются перпендикулярно к потоку. При этом возможно два основных варианта конструкции, когда весь поток проходит через прибор или накапливается в нём. Используемые в практической медицине респираторные расходомеры делятся на: ротационные, ультразвуковые, термоконвенкционные и дифференциально-манометрические. К механическим типам датчиков относятся ротационные и дифференциально-манометрические расходомеры, на конструкции которых остановимся более подробно.

В ротационных расходомерах основным рабочим звеном является крыльчатка (вертушка), размещающаяся в воздухо-воде. Скорость её вращения пропорциональна объёмным потоком газа. Лопасти вертушки можно использовать для прерывания светового потока, изменения магнитной индукции в индуктивных датчиках и т. д. Получаемые импульсы усиливаются и подсчитываются измерительными схемами. К недостаткам такого типа датчиков относят то, что его передаточная функция изменяется с течением времени, что порождает нестабильность измерений. Кроме того, его инерционность снижает рабочий диапазон измерений. Более точными измерителями являются пневмотахометрых – устройства использующие эффект сопротивления движущемуся воздуху, обеспечивающие линейную зависимость между потоком и падением давления. Наиболее распространены два типа резистивных элементов:

Рисунок 4. Резистивные элементы пневмотахометра. а) – экран, б) – капилляры или каналы

На рисунке 4а показан вариант, в котором элемент выполнен из одного или нескольких экранов из мелкой сетки и располагается перпендикулярно потоку Q. Перепад давлений ΔP измеряют в поперечном к потоку направлении с помощью отведений на стенке трубки (в пограничном слое потока). Давление, создаваемое отведённым потоком газа, регистрируется дифференциальным манометром с измерительной цепью (см. рисунок 3). Соответствующий измерительный канал может быть выполнен по схеме, рассмотренной на рисунке 2.

Вариант конструкции резистивного элемента пневмотахометра в виде блока (сборка) тесно упакованных капилляров или каналов, ориентированных вдоль потока, показан на рисунке 4б. Считается, что у этих типов пневмотахометров (расходомеров) зависимость потока от перепада давления является практически линейной в широком диапазоне, причём 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 подсоединён к общему внешнему патрубку.

Рассмотрим структурную схему автономного пневмотахометра, использующую в качестве первичного преобразователя объёмный расходомер.

В этой схеме сигнал с объёмного расходомера (ОР) поступает на входы нуль-органов (НО) и на вход графического регистратора (ГрРг), который по одному из каналов воспроизводит кривую объёмного расхода дыхательной газовой смеси. Нуль-органы срабатывают в момент перехода сигнала объёмной 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 объёма одиночного вдоха;

2) Измерение объёма одиночного выдоха.

Рисунок 5. Структурная схема пневмотахометра

Отключение устройства от интегратора обеспечивает его работу в непрерывном режиме интегрирования. В режиме измерения объёма 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 Тр2, открыт и пропускает сигнал объёмной скорости потока на вход интегратора (Инт), а ключ К1, управляемый триггером Тр1, осуществляет сброс интегратора в нуль и блокирует его. При заблокированном интеграторе интергирование сигнала объёмной скорости потока не происходит. Кроме того, триггер Тр1 запрещает работу схемы совпадения (СС).

Если в процессе исследования при смене фазы дыхания первым срабатывает второй нуль-орган (НО2) и выдаёт мпульс «Начало выдоха», то этот импульс через замкнутые контакты S1.2 поступает на вход СС, второй вход которой находится под запрещающим потенциалом с выхода Тр1, и поэтому импульс «Начало выдоха» не переключит Тр2. Далее чрабатывает НО1 и выдаёт импульс «Начало вдоха», который через контакты S1.1 переключит Тг1. При этом запрет со схемы совпадения и блокировка с интегратора ключом К1 снимаются.

В это время происходит интегрирование сигнала объёмной скорости до момента времени, когда его уровень достигнет нулевого значения, кроме того, срабатывает НО2, начиная цикл начала выдоха путём 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 объёма вдоха. Кроме этого, сигналом со схемы совпадения включается схема цифрового измерительного прибора (ЦИП), подключённого к выходу интегратора.

В режиме измерения объёма 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 объёмной скорости потока дыхательной газовой смеси.

Наиболее часто используемыми показателями, характеризующими состояние механики дыхания, являются абсолютный объём лёгких и объём газа в лёгких при различных дыхательных манёврах. Измерение объёма лёгких чаще всего проводят путём измерения объёма 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. 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.

Рисунок 6. Жидкостной (а) и сухой (б) спирометры

Подвижная часть водяных спирометров выполняется в виде колокола (полого тонкостенного цилиндра), перемещающегося вверх и вниз вдоль внешнего корпуса 2, заполненного водой 4 (рисунок 6а). 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.

В сухом спирометре (рисунок 6б) 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 градуируются в единицах объёма, погрешности которых в значительной степени зависят от степени герметичности присоединительных элементов, с помощью которых дыхательные пути пациента соединяются с прибором.

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, имеющимся внутри спирографа. Поэтому в смеси он не занимает места поглощённого кислорода. Рассмотрим структуру подобного типа спирографов:

Принцип действия спирографа с дыханием в замкнутом пространстве следующий: 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 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.

Рисунок 7. Функциональная схема спирографа с дыханием в замкнутом пространстве