• 03.04.2010
  • Преобразователи расхода "СПИРОСЕНС" зарегистрированы в Государственном реестре средств измерения
  • ПОДРОБНЕЕ >>>

Публикации и статьи

УДК 616.24 – 073.173

Шкундин С.З., Карпишук А.В.

Новый акустический спирометр для функциональной диагностики дыхания.

Московский Государственный Горный Университет

Ключевые слова : функциональная диагностика дыхания, спирометр, спироанализатор, акустический принцип измерения расхода газа, форсированный выдох, спектр форсированного выдоха.

Резюме . Освещены преимущества переоснащения технической базы функциональной диагностики дыхания спирометрами, построенными на акустическом принципе. Описан принцип работы акустического спирометра. Приведены экспериментальные данные, позволяющие оценить технические возможности прибора и перспективы проведения научных исследований на основе ранее недоступных данных.

Рост числа профессиональных заболеваний органов дыхания у горнорабочих будет продолжаться, если не принимать профилактических мер по снижению воздействия вредных факторов на пациентов с первыми признаками развития патологии. Для выявления этих признаков необходим современный, точный и надежный спироанализатор.

Сегодня в функциональной диагностике дыхания для оценки состояния дыхательного аппарата человека используют ряд основных показателей, таких как: жизненная емкость легких (ЖЕЛ), форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ), пиковая объемная скорость (ПОС), объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1) и др., выраженных в процентном отношении к соответствующим средней норме для данного возраста и антропометрики величинам, кроме того, с внедрением спироанализаторов стало возможным построение кривой выдоха и форсированного выдоха в координатах расход-объем, расход-время и объем-время. Кривая расход-время, будучи исходной для большинства современных спироанализаторов, несет в себе полную информацию о процессе дыхания. Для удобства анализа маневра форсированного выдоха, путем интегрирования по времени строится петля в координатах расход-объем, которая вбирает в себя всю информацию, необходимую для вычисления и наглядного представления большинства скоростных и объемных показателей дыхания. Форма этой петли говорит о состоянии всей дыхательной системы и отдельных ее участков (крупные, средние и мелкие бронхи).

Тем не менее, часть информации для большинства спироанализаторов остается недоступной. Речь идет о спектральных характеристиках дыхательного процесса, отражающих наличие и характер шумов, хрипов и свистов при выдохе. Рассмотрим причины, ограничивающие использование существующих приборов для более глубокого анализа функции дыхания.

Существует множество спирометров и спироанализаторов, имеющих в основе своей датчики разных типов. Широкое распространение получили:

  • Водяной спирометр (принцип колокола).
  • Сухой спирометр (меховой, поршневой, клиновидный).
  • Турбинный датчик (тахометрический принцип).
  • Датчики Лилли и Флейша (измерение перепада давлений).

Для того чтобы получать дополнительную информацию о спектре дыхания, необходимо использовать спироанализатор, удовлетворяющий ряду требований:

1) Чувствительность. Чтобы говорить о наличии в спектре сигнала высокочастотных составляющих, датчик должен регистрировать слабые колебания потока.

2) Низкое сопротивление потоку. Для того чтобы избежать искажений сигнала, вызванных податливостью грудной клетки, выдох должен производиться беспрепятственно.

3) Безынерционность. Для проведения спектрального анализа необходимо обеспечить высокую частоту измерения/оцифровки данных.

4) Отсутствие подвижных частей в измерительном канале. Движущиеся и вращающиеся элементы датчика искажают спектр дыхания, подавляя его высокочастотные составляющие (гармоники).

Программное обеспечение спироанализатора должно обеспечивать возможность построения спектра выдоха для последующего анализа и выявления маркеров, характеризующих те или иные процессы, протекающие в дыхательных путях.

Рассмотрим отдельно каждый тип приборов в контексте соответствия перечисленным ранее требованиям.

Водяной, сухой и подобные им спирометры не могут быть использованы для регистрации высокочастотных составляющих в потоке, так как они инерционны, обладают высоким сопротивлением, и предназначены для непосредственного измерения накапливающегося в них объема. Турбинный датчик подвержен позднему старту и запоздалой остановке из-за «залипания» механики, обладает большим сопротивлением потоку, инерционен. Датчик Флейша более чувствителен и менее инерционен по сравнению с тахометрическим, однако наличие перегородки, обеспечивающей перепад давления, создает препятствие выдоху пациента.

Для создания спироанализатора, лишенного этих недостатков, в лаборатории средств аэрологического контроля МГГУ был использован принцип акустического измерения расхода газа, который заключается в следующем. В аэроакустическом канале, представляющем собой полую трубку диаметром d , на расстоянии L друг от друга размещены два пьезокерамических кольца, покрытых с внутренней и внешней сторон слоем металлизации (рис. 1).

Рис. 1. Спирометрический канал с двумя пьезокерамическими кольцами.

В начальный момент времени, на обкладках одного из колец создают переменное напряжение с частотой, близкой к частоте собственных колебаний кольца. В результате обратного пьезоэффекта, это кольцо становится источником акустического сигнала, распространяющегося в газовой среде со скоростью звука c . Эта среда, в свою очередь, движется внутри канала со скоростью V , пропорциональной расходу газа. Через некоторое время t 1 акустический сигнал достигает второго кольца, подключенного в режиме приемника. Под воздействием переменного давления акустической волны, на металлических обкладках приемного кольца возникает переменная разность потенциалов (прямой пьезоэффект), которая регистрируется электроникой прибора. Затем приемное кольцо переключается в режим передачи, акустический сигнал распространяется по каналу в противоположном направлении. По разнице времен прохождения акустического импульса в разных направлениях определяется мгновенная скорость потока газа.

Современный акустический спирометр способен осуществлять прозвучивание каннала с частотой 300 раз в секунду или чаще, определяя мгновенную скорость потока при каждом прозвучивании. Таким образом, согласно теореме Котельникова, акустический спирометр способен улавливать колебания воздушного потока с частотой до 150 Гц. Если к этому добавить низкое аэродинамическое сопротивление прибора (не более 30 Па), то мы получим инструмент, дающий наиболее полное представление о состоянии дыхательной системы человека в пределах критериев, которые можно оценить, не прибегая к другим методикам, таким как бодиплетизмография.

В МГГУ был разработан и изготовлен опытный образец такого прибора. Это акустический спирометр, способный работать как автономно, так и взаимодействовать с персональным компьютером. В автономном исполнении прибор компактен, помещается в руке пациента, и способен измерять и выводить на цифровой индикатор основные показатели дыхания - ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ПОС и ОФВ1.

В режиме взаимодействия с ПК, программное обеспечение позволяет получить более 20-и дополнительных показателей, а также выводить подробные кривые всех дыхательных маневров с возможностью детального их анализа, в том числе спектрального.

В настоящее время прибор используется в ходе проведения научно-исследовательской работы, направленной на выявление маркеров возможного развития профессиональных заболеваний дыхательной системы в спектре форсированного выдоха у горнорабочих. Важность поставленной задачи трудно переоценить, так как в случае успеха, выработанная методика позволит с помощью простого спироанализатора выявлять признаки нарушения функционирования дыхательной системы еще на ранних стадиях проявления биологического действия вредных производственных факторов.

В рамках исследовательской работы, на базе Центра профессиональной патологии в г. Шахты Ростовской области, при содействии главврача цента д.м.н. Пиктушанской И.Н., а также заведующих отделениями функциональной диагностики Кутового В.И. и выездной комиссии Фисенко В.И., были проведены две серии экспериментов.

В ходе первой серии (октябрь 2003 г.) исследовалась возможность применения акустического спироанализатора для проведения экспресс-диагностики дыхания горнорабочих непосредственно на месте проведения горных работ в рамках выездной медицинской комиссии. Отличительными чертами такой диагностики являются высокий темп (до 2 чел/мин), условия проведения (как правило, небольшое помещение при достаточно большом количестве обследуемых), неподготовленность рабочих к тесту (инструктаж проводится непосредственно во время обследования, редко удается добиться приемлемых результатов с первых попыток), а иногда и откровенное нежелание сотрудничать (пациенты не прикладывают достаточных усилий при проведении маневров, не следуют указаниям медицинских работников, наносят ущерб аппаратуре небрежным отношением и т.д.).

В таких условиях новый прибор подтвердил простоту и надежность конструкции датчика, позволяющие использовать его практически в любых условиях. Так как датчик в сборе – это полая металлическая или пластиковая трубка, то никакого особого ухода, такого как, например, чистка или замена сеток или турбинок он не требует, а дезинфекция сводится к простой протирке канала датчика дезинфицирующим раствором. Такая процедура может проводиться даже в процессе обследования, без существенных задержек. Механическая прочность датчика достаточно высока даже для использования его в «полевых» условиях.

С помощью прибора было получено несколько десятков кривых форсированного выдоха в координатах расход-время и расход-объем. Анализ кривых показал, что в высокочастотной области спектра выдоха содержится большой объем информации, дешифрация которой требует продолжения исследовательской работы.

Первым этапом такой работы был сбор данных о спектральном составе выдоха среди лиц, диагноз которых известен. Идея состояла в том, чтобы классифицировать спектральные паттерны выдоха по заведомо установленным нарушениям и выделить маркеры, которые могли бы помочь в диагностике заболевания на ранней стадии его развития. Это и было целью второй серии экспериментов, проведенной в январе 2004 г. в стационаре Центра профпатологии.

Было обследовано 92-х человека, среди которых 40 имели диагноз «хронический пылевой бронхит» различной степени тяжести. Такие серьезные нарушения проводимости дыхательных путей не могли не отразиться на спектре форсированного выдоха. Первоначальный анализ показал, что гладкая кривая, с минимальными флуктуациями потока встречается только среди нескольких пациентов, не имеющих заключения о нарушении проводимости. Во всех остальных случаях наблюдаются колебания потока в так называемой области малых бронхов и на переходе средние бронхи – малые бронхи (рис 2).

Рис. 2. Высокочастотные колебания в области малых бронхов

Почти всегда колебания присутствуют на гребне форсированного выдоха, в точке максимального экспираторного потока (рис. 3). Этот эффект, вероятнее всего, обусловлен высокой турбулентностью воздуха в момент перехода от фазы трахейного выдоха к фазе бронхиального выдоха, где образуется небольшое «плато» между явно выраженным нарастанием и явно выраженным убыванием потока.

Рис. 3. Высокочастотные колебания на гребне форсированного выдоха

Наибольший интерес представляет собой динамика завершающей фазы маневра, в которой скорость форсированного выдоха уже не зависит от приложенного усилия, а определяется калибром малых воздухопроводящих путей. Для выработки более точной методики оценки состояния легких по спектру выдоха, необходимо провести дополнительные исследования, классифицируя пациентов уже не по окончательному диагнозу, а по реальному состоянию дыхательных путей как у больных, так и у здоровых людей.

Выводы.

1. Использование акустического метода измерения расходов газов в функциональной диагностике дыхания позволяет:

- повысить чувствительность и точность спироанализаторов;

- увеличить долговечность диагностического оборудования;

- обеспечить возможность оперативной дезинфекции;

- в реальном времени получать дополнительную, недоступную для других типов серийно выпускаемых спирометров информацию о спектральном составе выдоха.

2. Форсированный выдох обладает насыщенной спектральной картиной, для выработки методики анализа которой требуется проведение дополнительных мероприятий по сбору статистических данных.

Сведения об авторах:

Шкундин Семен Захарович

профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой Электротехники МГГУ

Карпишук Александр Васильевич

аспирант кафедры Электротехники МГГУ

Московский Государственный Горный Университет.

119991, Москва, Ленинский пр-т, д. 6, кафедра Электротехники.

Тел.: (499)237-9467, (499)230-2531.

Факс: (499)237-9467.

 
 
Тел: (499)237-9467, (499)230-2531
Copyright © 2011 SirSensor