Способ импедансной спирографии для изучения динамики дыхательной функции человека и аппаратно-программный комплекс для его осуществления
METHOD OF IMPEDANCE SPYROGRAPHY FOR THE STUDY OF HUMAN RESPONSE FUNCTION DYNAMICS AND A HARDWARE AND PROGRAM COMPLEX FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано для измерения импеданса (z) и фазового угла (ϕ) сдвига тока и напряжения биологических жидкостей при проведении спирографии.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому способу является способ диагностики функции внешнего дыхания с помощью импедансной спирографии (см. патент на изобретение РФ №2487662, опубл. 20.07.2013), в котором используют биполярный метод поличастотной импедансометрии с определением модульного значения импеданса (|Z|) и фазового угла (ϕ) на частотах 20, 98, 1000, 5000, 10000, и 20000 Гц переменного электрического тока малой мощности во время ингаляции 0,9% раствора хлорида натрия с помощью программно-аппаратного комплекса «БИА-лаб Спиро», первый электрод устанавливают в мундштук ультразвукового небулайзера, второй располагается на коже грудной клетки либо в регионе исследования, либо объединяя электроды, установленные на симметричных участках грудной клетки, например, по средним подмышечным линиям на уровне VI межреберья, проводят измерение, и при отклонении модульного значения импеданса (Z) и/или фазового угла (ϕ) менее 5 или более 95 персентилей от нормальных значений диагностируют нарушение функции внешнего дыхания.
Недостатками способа являются:
1. Размещение электродов в разных местах, один - на груди пациента, а второй - в мундштуке, увеличивает расстояние между электродами, а, следовательно, и длину пути тока, что вызывает резкое увеличение величины импеданса и снижение точности измерений.
2. Размещение электрода на груди пациента снижает достоверность измерений, т.к. в этом случае путь тока зависит от электрических свойств тканей  пациента (толщина жирового слоя, толщина мышечной ткани, свойства легочных тканей), что вызывает неодинаковое абсолютное значение импеданса у различных пациентов, а это приводит к затруднению диагностики возможных заболеваний. Кроме того, такое размещение создает появление дополнительных помех в измерительной цепи, что снижает точность измерений.
3. Использование лишь нескольких фиксированных частот для зондирования из широкого возможного диапазона влечет снижение информативности способа.
4. Использование небулайзерного ультразвукового ингалятора приводит к удорожанию способа и к ограничению его применения.
Итак, недостатками вышеуказанного способа являются погрешность и недостоверность измерений, недостаточная информативность способа.
Задачами предлагаемого изобретения являются повышение точности и достоверности результатов измерения, расширение информативности способа.
Для этого предлагается способ импедансной спирографии для изучения динамики дыхательной функции человека, использующий биполярный метод импедансометрии с измерением модульного значения импеданса (z) и фазового угла (ϕ) при переменном электрическом токе малой мощности, при этом измерения проводят на любой частоте в диапазоне 10-30000 герц с использованием датчика и скоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во время вдоха и выдоха пациента через мундштук датчика, при этом электроды датчика располагают в выходной части мундштука, заполненной поролоновым цилиндром, находящимся в соприкосновении с электродами датчика, в результате измерений вычисляют параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха, по полученной кривой дыхания с учетом (z) и (ϕ), определяют динамику мышечной активности при дыхании.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что измерения проводят на любой частоте в диапазоне 10-30000 герц с использованием датчика и скоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во время вдоха и выдоха пациента через мундштук датчика, при этом электроды датчика располагают в выходной части мундштука, заполненной поролоновым цилиндром, находящимся в соприкосновении с электродами датчика, в результате измерений вычисляют параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха, по полученной кривой дыхания с учетом (z) и (ϕ), определяют динамику мышечной активности при дыхании.
Частота дыхания вычисляется по периоду записанных кривых процесса, по амплитуде и частоте дыхания вычисляется объем легких, состояние мышечной активности тканей оценивается по скорости нарастания и спада кривых процесса - чем больше скорость (то есть первая производная по времени) - тем активнее ткани легких. Последнее заключение делается на основе проведения серии опытов с разными пациентами, прошедшими диагностику на других приборах (УЗИ, рентген, обычную спирографию).
Во время испытаний вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух свободно проходит через поролоновый цилиндр, оставляя на нем следы выдыхаемых человеком газов и жидкостей в виде пара.
При выдохе за счет конденсации паров на поролоне импеданс уменьшается, а при вдохе происходит испарение и уход паров из поролона, что вызывает увеличение импеданса. Эти колебания величины импеданса и фазового угла регистрируются аппаратно-программным комплексом, выполненным на базе скоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и персонального компьютера.
Предварительно поролоновый цилиндр может быть пропитан электрически активным веществом. В первом случае (без пропитки) величина импеданса достигает величины 700-800 Ком (см. рис. 1), а с пропиткой падает до уровня 50-15 Ком (см. рис. 2). Уменьшение величины импеданса повышает точность и стабильность измерений.
Предварительно поролоновый цилиндр может быть пропитан химически активным веществом, которое вступает в реакцию с выдыхаемыми парами воздуха, в результате чего величина электрического сопротивления химически активного вещества меняется, что позволяет определить химический состав выдыхаемых паров воздуха. А это, в свою очередь, позволяет диагностировать у больных определенные заболевания, например, астму.
Действующее переменное напряжение на датчике в мундштуке не превышает 10 вольт, что совершенно безопасно для человека.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является аппаратно-программный комплекс для электроимпедансной спирометрии (см. патент на изобретение РФ №2487662, опубл. 20.07.2013), характеризующийся тем, что содержит измерительный блок, включающий ноутбук и электроды, один из которых расположен на груди пациента, а другой - в мундштуке, который подключен к ультразвуковому небулайзерному ингалятору.
Недостатками устройства являются:
1. Используемый измерительный блок не позволяет вести регистрацию процесса вдоха-выдоха более 18 секунд, что существенно снижает информативность полученных данных, так как очень важно просмотреть динамику процесса вдоха-выдоха хотя бы 10-15 циклов.
2. Недостаточное быстродействие измерительного блока, составляющее 192000 точек измерения в секунду (576000 точек / 3 секунды) по одному каналу. Лучше использовать два канала с быстродействием не менее 250000 точек измерения в секунду по каждому.
3. Использование моста Уитстона для определения импеданса и фазового сдвига по его разбалансу нецелесообразно, лучше использовать два отдельных полумоста (эталонный и измерительный), связанных с двумя каналами измерительного блока. Это повышает точность измерения, позволяет регистрировать величины зондирующего тока и напряжения, что дает более информативные сведения о процессе вдоха-выдоха.
4. Недостатки, отмеченные по п. 1-2 не позволяют в процессе измерения получить график изменения величины импеданса во времени в течение хотя бы одной минуты, что соответствует примерно 15 миллионам точкам измерения, по которому непосредственно в процессе измерения можно вычислить параметры спирографии: частоту дыхания, объем и скорость вдоха и выдоха, проанализировать состояние мышечной активности легких и тканей пациента.
Итак, недостатками вышеуказанного устройства являются: невозможность просматривать динамику процесса вдоха-выдоха, вычислять параметры спирографии и анализировать состояние мышечной активности легких и тканей пациента непосредственно в процессе измерения.
Задачами предлагаемого изобретения являются: повышение быстродействия измерительного блока, увеличение объема измеряемой информации и расширение возможностей измерительного блока с целью вычисления параметров спирографии и анализа состояния мышечной активности легких и тканей пациента непосредственно во время измерения.
Для решения поставленных задач предлагается аппаратно-программный комплекс для импедансной спирометрии, состоящий из датчика, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), мундштука и электродов, при этом датчик состоит из мундштука и электродов, АЦП представляет собой скоростной АЦП, выходная часть мундштука заполнена поролоновым цилиндром, а электроды в виде металлических пластин попарно диаметрально электрически объединены и расположены попарно диаметрально по окружности мундштука таким образом, что находятся в соприкосновении с поролоном, датчик связан с измерительным полумостом, который вместе с эталонным полумостом подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты, выходы полумостов подключены к двум каналам скоростного АЦП, где АЦП и генератор выполнены с возможностью управления компьютером.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что датчик состоит из мундштука и электродов, АЦП представляет собой скоростной АЦП, выходная часть мундштука заполнена поролоновым цилиндром, а электроды в виде металлических пластин попарно диаметрально электрически объединены и расположены попарно диаметрально по окружности мундштука таким образом, что находятся в соприкосновении с поролоном, датчик связан с измерительным полумостом, который вместе с эталонным полумостом подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты, выходы полумостов подключены к двум каналам скоростного АЦП, где АЦП и генератор выполнены с возможностью управления компьютером.
Изобретение поясняется рис. 3, где показана блок-схема аппаратно-программного комплекса, состоящего из датчика 1, связанного с измерительным полумостом 3, который вместе с эталонным полумостом 4 подключен к широкополосному генератору зондирующей частоты 2. Выходы полумостов 3, 4 подключены к двум каналам скоростного АЦП 5, управляемого с помощью компьютера 6. Генератор 2 также управляется компьютером 6 и позволяет задавать любую частоту в диапазоне 10-30000 герц и амплитуду синусоидального сигнала в диапазоне 10-10000 милливольт.
Применение двух полумостов 3, 4 позволяет регистрировать не только величину импеданса и фазового сдвига, но и величину зондирующего тока и напряжения, и непосредственно в процессе опыта измерять фазовый сдвиг, записывая последовательно точки синусов эталонного и измерительного полумостов и обрабатывая их на компьютере.
Скоростной АЦП 5 имеет высокую чувствительность (14 двоичных разрядов на входное напряжение 5 вольт) и высокое быстродействие (тактовая частота - 250 килогерц на каждый канал), что позволяет через его буфер передавать полученные данные непосредственно в оперативную память (ОЗУ) компьютера 6 и там осуществлять их первичную обработку.
Благодаря высокому быстродействию АЦП 5 и программному обеспечению компьютера 6, в процессе опыта постепенно разворачивается график изменения величины импеданса во времени, по точкам которого рассчитываются параметры спирографии и мышечной активности легких. По завершению опыта эти данные выводятся на монитор компьютера в виде таблиц и графиков (рис. 4).
Конструкция датчика 1 (вариант выполнения с 4-мя электродами) изображена на рис. 5. Датчик состоит из мундштука 7, выходная часть которого заполнена поролоновым цилиндром 8, и электродов 9 в виде узких металлических пластин.
Аппаратно - программный комплекс работает следующим образом:
Оператор на программной панели управления комплексом (см. рис. 4) задает время измерения (до 8 минут), частоту зондирующего тока (10-30000 герц), амплитуду напряжения синуса зондирующего тока (10-10000 милливольт). Далее пациент берет мундштук 7 в рот и делает несколько пробных вдохов выдохов, затем оператор включает пуск, запуская работу всех блоков, комплекса, связанных между собой, и в течение времени опыта пациент дышит ртом через мундштук 7. На программной панели комплекса каждый вдох и выдох будет отображен на графике, и по мере поступления данных будут вычисляться параметры спирографии. По завершении опыта прием данных будет остановлен автоматически, и результаты будут выданы в виде таблиц и графиков.
Предварительно, перед началом измерений, оператор может подготовить датчик на мундштуке 7 - смочить цилиндр из поролона 8 либо электрически активным веществом, если требуется определить параметры спирографии, либо химически активным веществом, если требуется определить химический состав выдыхаемых паров воздуха.