DEVICE FOR DETERMINING HUMIDITY AND TEMPERATURE OF EXHALED BY INDIVIDUAL AIR
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫДЫХАЕМОГО ЧЕЛОВЕКОМ ВОЗДУХА

Изобретение относится к средствам инструментальных методов медицинских исследований и может быть использовано для контроля дыхательных функций организма.
Известно устройство для тестирования дыхания (US 2012165693), содержащее датчики измерения температуры и влажности, расположенные внутри камеры определенного внутреннего объема.
Однако данное устройство не позволяет количественно определять влажность и температуру выдыхаемого человеком воздуха. При этом устройство имеет сложную конструкцию, требует специальной газовой среды внутри камеры.
Задачей изобретения является обеспечение количественного измерения влажности и температуры выдыхаемого человеком воздуха.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в получении достоверных количественных значений содержания водяного пара в выдыхаемом воздухе.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для определения влажности и температуры выдыхаемого человеком воздуха содержит термостат определенного внутреннего объема с автоматическим поддержанием заданной внутренней температуры, связанную с термостатом камеру переменного калиброванного объема выдыхаемого человеком воздуха, расположенную внутри термостата двухклапанную камеру и размещенный внутри нее датчик измерения температуры, размещенный в термостате датчик влажности воздуха, установленные в термостате клапаны и вентилятор для быстрого перемешивания внутреннего и поступающего в него выдыхаемого человеком воздуха, при этом датчики измерения температуры и влажности связаны с регистрирующим блоком и блоком обработки информации.
На фиг. 1 представлена общая схема устройства, на фиг. 2 представлены полученные диаграммы влагосодержания у различных испытуемых, на фиг. 3 представлены результаты определений влажности выдыхаемого воздуха у испытуемых, на фиг. 4 представлены рассчитанные значения изменений удельной энтропии Δs (при 37°С) у испытуемой группы лиц, на фиг. 5 показаны диаграммы изменения показаний влажности выдыхаемого воздуха у обследуемых после приема лекарственных препаратов Антровент и АЦЦ, на фиг. 6 представлены диаграммы изменения показаний влажности воздуха у обследуемых после приема лекарственных препаратов Вентолина и Симбикорта, на фиг. 7, 8 и 9 представлены графики изменения показателей влажности и температуры выдыхаемого воздуха пациентами (разными) до и после медицинских процедур (капельницы, ингаляции).
Устройство состоит из термостата 1, определенного внутреннего объема (например, 3,5 литра) с автоматическим поддержанием заданной внутренней температуры (например, 37,5°С). То есть термостат 1 представляет собой объемную камеру. Датчик 2 измерения температуры (например, ТТМ-2-04) и датчик 3 влажности воздуха (например, ИПВТ-03) расположены внутри термостата 1. Вентилятор 4 для перемешивания внутреннего и поступающего в термостат выдыхаемого человеком воздуха также расположен внутри термостата 1. Термостат 1 содержит клапаны 5. С термостатом 1 связана камера 6 переменного калиброванного объема на 1 л (дозатор). Внутри термостата 1 размещена двухклапанная камера 7, внутри которой размещен датчик 2 измерения температуры. Для вентиляции внутреннего объема термостата 1, между измерениями, устройство содержит компрессор 8. Датчики 2 и 3 измерения температуры и влажности соответственно связаны с регистрирующим блоком 9 (например, ИВТМ 7/8 Р-МК), и блоком 10 обработки информации (например, компьютером) для записи и последующей обработки результатов измерений.
Процесс работы устройства состоит из следующих операций.
Предварительно проводится подготовка к началу измерений:
устанавливают заданные начальные значения температуры и влажности в объеме термостата, а также замеряются параметры окружающей среды, необходимые для дальнейших расчетов. Измерения влажности и температуры выдыхаемого воздуха проводятся раздельными операциями при отличающихся начальных температурах в термостате 1.
Для определения влажности выдыхаемого воздуха исследуемый делает выдох через сменный одноразовый мундштук во внутренний объем термостата 1, пропорционально увеличивающийся за счет хода поршня камеры 6 переменного калиброванного объема (дозатора) на величину объема выдоха исследуемого. Данные измерений поступают на регистрирующий блок 9 и далее на блок 10 обработки информации. Измерения проводят до установления максимального значения влажности в термостате.
По результатам полученных значений относительной влажности φ и температуры t рассчитываются количественные характеристики выдыхаемого воздуха: абсолютная влажность с и влагосодержание d, по которым возможен расчет энергетических параметров энтропии s и энтальпии h.
п
н
п
н
Относительная влажность φ равна отношению парциального давления водяного пара в воздухе р к парциальному давлению насыщенного водяного пара р при той же температуре φ=р/р (иногда выраженное в процентах).
п
Парциальное давление водяного пара р (или упругость) выражается в единицах давления (Па).
н
Связь между давлением насыщенного водяного пара р (кПа) и температурой (t, °С) определяется формулой:
Таким образом, каждой температуре соответствует определенное давление насыщенного пара, а каждому давлению соответствует определенная температура.
3
Абсолютная влажность - масса водяного пара, содержащаяся в единице объема газа (г/м), рассчитывается по формуле:
п
где R - газовая постоянная водяного пара (461,49 Дж/кг*K).
Влагосодержание d - отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха в том же объеме (г/г, кг/кг, г/кг). Эта величина соответствует отношению плотности водяного пара к плотности сухого газа в одинаковых условиях, рассчитывалась по формуле:
c.в
где R - газовая постоянная сухого воздуха (287,1 Дж/кг*K),
р - атмосферное давление в момент измерения.
Удельные значения энтропии и энтальпии, отнесенные к 1 кг сухого воздуха определяются по формулам
0
0п
Если принять за начало отсчета энтропии значения t=0°С (Т=273,15 K) и р=610 Па,
где
с.в
с - средняя удельная массовая теплоемкость сухого воздуха, которую принимают равной 1,006 кДж/(кг*K),
п
с - средняя удельная теплоемкость насыщенного водяного пара при постоянном давлении, которую принимают равной 1,86 кДж/(кг*K),
0
r - удельная теплота парообразования (является функцией температуры), принимают равной 2500,64 кДж/кг.
с.в
п
0
В общем с, с и r зависят от температуры, но в ограниченном диапазоне можно считать постоянными.
Отсюда рассчитываются значения энтропии и энтальпии и их изменения при изменении параметров выдыхаемого влажного воздуха. Изменением средней молекулярной массы сухого выдыхаемого воздуха, его газовой постоянной и теплоемкости за счет изменения содержания кислорода и углекислого газа пренебрегают.
Измерение температуры выдыхаемого воздуха производят следующим образом.
Исследуемый, используя сменный одноразовый мундштук? совершает серию выдохов через двухклапанную камеру 7, в которой размещен датчик 2 измерения температуры. Данные измерений поступают на регистрирующий блок 9 и далее на блок 10 обработки информации. Измерения проводят до установления стабильных показаний температуры (30-40 сек).
Была проведена серия экспериментов по измерению влажности и температуры выдыхаемого воздуха человека.
Пример 1. Было обследовано 16 человек различных возрастных групп, практически здоровых, в течение длительного периода времени (3 мес). Была установлена устойчивая индивидуальная характеристика показаний влажности выдыхаемого воздуха обследуемых. Данные обследований и измерений представлены на фиг. 2 и фиг. 3.
Пример 2. В результате экспериментов была установлена зависимость показаний влажности выдыхаемого воздуха у обследуемых после приема лекарственных препаратов. Так, на фиг. 5 показаны диаграммы изменения показаний влажности выдыхаемого воздуха у обследуемых после приема лекарственных препаратов Антровент и АЦЦ, а на фиг. 6 представлены диаграммы изменения показаний влажности воздуха у обследуемых после приема лекарственных препаратов Вентолина и Симбикорта.
Пример 3. Было обследовано несколько пациентов с установленными диагнозами легочных патологий в период лечения. Установлены значительные изменения показателей влажности и температуры выдыхаемого воздуха пациентами до и после медицинских процедур (капельницы, ингаляции). Данные измерений представлены на фиг. 7, 8 и 9 дополнительно к ранее указанным в примере 4.
В результате использования предлагаемого устройства появляется возможность индивидуальной оценки текущего состояния легочной системы человека, а также долгосрочных прогнозов общего состояния как здоровых людей, так и больных различных патологий.
Измерение содержания воды в выдыхаемом воздухе дает дополнительную информацию не только о состоянии поверхности легких, но и о теплообменной способности организма. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет проводить диагностику больных легочными и сердечно-сосудистыми заболеваниями, быстро оценить необходимость и эффективность приема быстродействующих лекарственных средств, в том числе бронхолитиков.
Измерение предлагаемым устройством влажности и температуры выдыхаемого воздуха человека, наряду с известными физиологическими показателями, такими как: частота пульса, артериальное давление, температура тела и пр., представляет быстро и непрерывно измеряемую обобщенную индивидуальную характеристику состояния легочной системы человека. Предлагаемое изобретение можно использовать так же, например, и при подборе лекарственных препаратов и оценке эффективности проводимого лечения.
Предлагаемое устройство решает задачу количественного измерения влажности и температуры выдыхаемого воздуха человека для использования в практической медицине и научных исследованиях.