АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX FOR ESTIMATING CONDITION OF RESPIRATION REGULATING SYSTEM AND METHOD OF APPLICATION THEREOF

2
2
Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для оценки состояния системы регуляции дыхания. Разработанный аппаратно-программный комплекс предназначен для применения в поликлинических условиях, в ограниченных замкнутых объемах, пребывание человека в которых может быть сопряжено с изменениями чувствительности дыхательного центра к дыхательным газам (O и CO) в измененной газовой среде, а также в специализированных научно-исследовательских учреждениях для проведения экспериментов с целью исследования кардиореспираторной системы человека.
Нарушения внешнего дыхания, возникающие при хронических обструктивных болезнях легких, при астме и других заболеваниях составляют значительную часть социально значимых заболеваний. При этих и других заболеваниях часто возникают расстройства регуляции дыхания. Компенсация дыхательной недостаточности в значительной степени определяется характеристиками системы регуляции дыхания. Хотя в настоящее время разработаны методики определения чувствительности дыхания человека к углекислому газу и кислороду, они практически не используются, так как требуют выполнения большого количества манипуляций. Кроме того, важной проблемой остается плохая сопоставимость результатов, полученных с помощью разных методик.
Известны следующие устройства для оценки состояния системы регуляции дыхания:
2
- для оценки ответа дыхательного центра в условиях гипербарии (Яхонтов Б.О., Шулагин Ю.А. Вентиляторная реакция на CO у водолазов при действии различных гипербарических факторов. В кн.: "Гипербарическая медицина", материалы VII Международного Конгресса по гипербарической медицине, 2-6 сентября 1981, т.2, Изд, "Наука", М., 1983 г., с.195-198; Суворов А.В. Внешнее дыхание и газообмен человека во время длительного пребывания в условиях гипербарии. Дисс. на соиск. уч.ст.к.м.н., Москва, ИМБП, 1986, 137 с.);
- аппаратно-программный комплекс (АПК) для определения влияния гиперкапнии на вентиляцию человека (Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Ермолаев Е.С., Гончаров А.О. Разработка метода оценки чувствительности дыхания человека к углекислому газу для применения в гравитационной физиологии // Технологии живых систем, 2012. Том 9, №10, стр.14-22; Eugene S. Ermolaev, Alexander I. Dyachenkol, Yury A. Shulagin, Alexander O. Goncharov, Artem V. Demin. Effect of head-down human body position on chemoreflex control of Breathing // М. Long (Ed.): World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, IFMBE Proceedings, vol.39, pp.2068-2071, 2012. www.springerlink.com. ISSN: 1680-0737.)
- аппаратно-программная экспериментальная установка для определения влияния гипоксии и гиперкапнии на вентиляцию человека в условиях невесомости (Prisk, G. Kim, Ann R. Elliott, and John B. West. Sustained microgravity reduces the human ventilatory response to hypoxia but not to hypercapnia. J Appl Physiol 88: 1421-1430, 2000).
- аппаратно-программный комплекс (АПК) для определения влияния кислорода и углекислого газа на вентиляцию человека (Duffin, J., 2007. Measuring the ventilatory response to hypoxia. J. Physiol. 584, p.285-293.), развивающий классический метод Read D.J.C. A clinical method for assessing the ventilatory response to carbon dioxide. // Aust. Ann. Med. 1967, V.16, N 1, P.20-32.
Однако проведенные экспериментальные исследования дыхания с участием водолазов при моделировании глубоководных погружений и микрогравитации, в космическом полете выявили новые факты, указывающие на необходимость дополнительного исследования регуляции дыхания, в том числе у водолазов и у космонавтов в ходе космического полета. В частности, в космическом полете выявлено увеличение продолжительности задержки дыхания, причины которого остаются гипотетическими.
Известные устройства-аналоги имеют следующие недостатки:
1) необходимо дополнительное оборудование, в частности баллоны со сжатым углекислым газом и кислородом, что не позволяет использовать устройство в условиях, не допускающих использования баллонов;
2
2
2
2) скорости нарастания концентрации CO и снижения концентрации O определяются объемом мешка, трубок и легких человека, а также скоростью потребления кислорода и выделения углекислого газа, поэтому не могут произвольно варьироваться. Различия указанных характеристик обследуемых приводят к различию скоростей нарастания CO, что может привести к ошибочной интерпретации результатов.
3) плохая сопоставимость результатов, полученных с помощью разных методик.
Недостатки аналогов устранены в разработанном комплексе.
Задачей, решаемой в изобретении, явилась разработка аппаратно-программного комплекса, предназначенного для исследования системы регуляции дыхания человека, устраняющего недостатки аналогов.
Достигаемый результат заключается в обеспечении безопасной, объективной и развернутой оценки работы системы регуляции дыхания человека.
Технический результат достигается за счет:
- возможности использования только собственного метаболического углекислого газа для оказания гиперкапнического воздействия;
- использования принципа управления комплексом посредством обратной связи, под которой подразумевается управление потоком газовой смеси через химический поглотитель ХП (15) или байпас за счет вентилятора (12) (вентилятора). При этом величины потоков через ХП (15) и байпас зависят от содержаний углекислого газа и кислорода в контуре, а также вентиляции человека. Производительность (поток) вентилятора (12) подстраивается под собственную вентиляцию человека так, чтобы человек не ощущал сопротивления контура вентиляции;
- использования генератора кислорода для заполнения системы гипероксической смесью и дозированной подачи кислорода в систему, применяемых в тесте дыхания гипероксической газовой смесью и при поддержании в системе постоянной концентрации кислорода (изооксическая газовая смесь);
- автоматизации измерений.
Разработанный комплекс состоит из трех блоков:
A1 - Блок газораспределения.
A2 - Блок подачи газов.
A3 - Блок сбора, обработки данных и управления системой
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлена схема АПК.
На Фиг.2. представлена функциональная схема работы АПК.
На фиг.1и фиг.2 обозначено:
1) - датчик воздушного потока,
2) - фильтр,
3) - загубник,
4) - клапанная коробка,
5) - газозаборник газоанализатора,
6) - штанга,
7) - шланг,
8) - планшет,
9) - трехходовой кран,
10) - четырех ходовой кран (смыкает/размыкает контур),
11) - бокс с мешком,
12) - нагнетатель воздуха с электроприводом,
13) - медицинский столик,
14) - трехходовой кран с электроприводом,
2
15) - химический поглотитель CO (ХП),
16) - блок управления электроприводом,
17) - блок питания,
18) - блок формирования газовой смеси,
19) - электроуправляемый дроссель,
20) - подставка под терминальное устройство,
21) - терминальное устройство,
22) - блок беспроводной передачи данных,
23) - газоанализаторы,
24) - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
25) - патрубок.
2
Фиг.3. Определение вентиляционной реакции на CO при гипоксически-гиперкапническом возвратном дыхании:
2
A - парциальное давление O,
2
B - парциальное давление CO,
C - скорость дыхательного потока,
D - пример анализа вентиляционной реакции испытателя.
2
Фиг.4. Определение вентиляционной реакции на CO при гипероксически-гиперкапническом возвратном дыхании:
2
A - парциальное давление O,
2
B - парциальное давление CO,
C - скорость дыхательного потока,
D - пример анализа вентиляционной реакции испытуемого.
Блок газораспределения (A1)
Блок газораспределения представляет собой замыкаемый и размыкаемый дыхательный контур. В состав блока входят следующие основные элементы, соединенные между собой посредством трубок:
1) металлическая емкость с мешком (11),
2) вентилятор (12),
3) химический поглотитель углекислого газа (ХП) (15),
4) регулятор потока (14) через ХП (15),
5) система клапанов и трехходовых кранов, шлангов, клапанной коробки (4),
6) устройство (8), выполненное с возможностью реализации биологической обратной связи (БОС) посредством отметки испытуемым своего состояния и передачи данных о состоянии в терминальное устройство (21) блока A3.
Элементы (A1) соединены между собой трубками большого сечения, что обеспечивает малое сопротивление дыханию. Блок наполняется дыхательной газовой смесью определенного состава. Газораспределение регулируется выбором направлений потоков путем переключения системы трехходовых кранов (9), скоростью потока и начальными параметрами наполняемой газовой смеси в контуре. Небольшой рабочий объем дыхательного контура (35 литров) при отключенном ХП (15) обеспечивает высокую скорость наполнения системы углекислым газом, регулируемое сечение потока через ХП (15) и байпас посредством электроуправляемого крана (14) и скорость потока посредством вентилятора (12) позволяют варьировать скорость наполнения системы в широком диапазоне.
Блок сбора, обработки данных и управления системой (A3)
В состав блока входят следующие основные элементы:
1) терминальное устройство (21) с программным обеспечением, реализующим управление движением газов и их параметрами в блоке A1,
2) газоанализаторы (23),
3) датчики воздушных потоков (1),
4) датчики измерения физиологических параметров, информация с которых посредством аналого-цифрового преобразователя АЦП (24) передается на терминальное устройство (21).
Данный блок выполнен с возможностью аппаратно-программного управления газовым составом дыхательной смеси и оценки состояния системы регуляции дыхания.
Работа на АПК выполняется в два этапа: подготовительный этап и этап оценки состояния системы регуляции дыхания.
Этап оценки состояния системы регуляции дыхания производится последовательно в двух режимах работы АПК.
Задаваемыми с помощью аппаратно-программного управления режимами являются:
1) Режим дыхания атмосферным воздухом, в котором реализуются и исследуются следующие маневры: спокойное дыхание, задержка дыхания, гипервентиляция и восстановление после возвратного дыхания.
2) Режим возвратного дыхания, в котором реализуются и исследуются следующие маневры: а) гипоксически-гиперкапническое, гипоксически-изокапническое, гипероксически-гиперкапническое, изооксически-гиперкапническое, гипоксически-пойкилокапническое возвратное дыхание;
б) задержка дыхания, гипервентиляция.
АПК позволяет провести тесты, включающие последовательно разные режимы дыхания:
2
1) Тест «Определение вентиляционной реакции на CO при гипоксически-гиперкапническом возвратном дыхании», включающий спокойное дыхание атмосферным воздухом, гипервентиляцию атмосферным воздухом, гипоксически-гиперкапническое возвратное дыхание, спокойное дыхание атмосферным воздухом. На фиг.3 приведен пример выполнения теста.
2
2) Тест «Определение вентиляционной реакции на CO при гипероксически-гиперкапническом возвратном дыхании», включающий спокойное дыхание атмосферным воздухом, гипервентиляцию атмосферным воздухом, гипероксически-гиперкапническое возвратное дыхание, спокойное дыхание атмосферным воздухом. На фиг.4 приведен пример выполнения теста.
3) Прочие необходимые тесты.
2
2
2
2
2
Преимущества предложенного комплекса и проводимых с его помощью тестов заключаются в следующем: без применения баллонов со сжатым газом удается быстро получить характеристики состояния (хемочувствительности) системы регуляции дыхания при различных воздействиях. Например, найденные на фиг.3D параметры A и B линейной аппроксимации зависимости вентиляции легких Vi от PCO характеризуют состояние (хемочувствительность) системы регуляции дыхания к CO при гипоксически-гиперкапническом воздействии. Анализ зависимости вентиляции от PCO вполне оправдан, так как уровень PO не опускается ниже 60 мм рт.ст. Поэтому гипоксия изменяет только чувствительность к CO, но не является существенным действующим фактором, который мог бы вносить самостоятельный вклад в вентиляцию легких.
При дыхании гипероксической смесью выключаются периферические рецепторы синокаротидной рефлексогенной зоны. Остается только вклад центральных (медуллярных) хеморецепторов. На фиг.4D дается оценка параметров A и B, характеризующих этот вклад.
Другие дополнительные тесты с разными уровнями парциальных давлений кислорода и углекислого газа позволят идентифицировать зависимость вентиляции от альвеолярных/артериальных парциальных давлений газов с учетом неаддитивности влияния гипоксии и гипероксии (т.е. наличия компоненты вентиляции, связанной как с парциальным давлением кислорода, так и с парциальным давлением углекислого газа).
Блок подачи газов (A2)
Данный блок обеспечивает регулируемую подачу в блок A1 газовой смеси посредством электроуправляемого дросселя (19). В состав блока входит блок формирования газовой смеси (18), в качестве которого может использоваться генератор кислорода, причем для генерации кислорода используется любой генератор кислорода, в том числе может быть адсорбционный генератор кислорода, при этом заполнение блока A1 углекислым газом может происходить только за счет газа, выделяющегося у обследуемого человека в результате собственного метаболизма.
Кроме того, в АПК реализованы следующие конструктивные особенности.
Дыхательный контур вмонтирован в передвижной медицинский столик (13) на колесиках с тормозом, исключающим передвижение столика во время проведения экспериментов.
В конструкции установки предусмотрены площадки для установки газоанализаторов (23) и контейнера для специальных переходников, запасных частей и прочих деталей.
Установка оборудована подставкой (20) под терминальное устройство (21), которая легко складывается и крепится ремнями к боковой стороне установки для удобной транспортировки.
Установка оборудована штангой-держателем (6) для клапанной коробки (4), подключаемой к испытуемому. Штанга-держатель (6) позволяет перемещать и закреплять клапанную коробку в пространстве относительно испытуемого, что позволяет проводить исследования в различных позах и условиях, не причиняя неудобства испытуемому.
Конструкцией предусмотрен специальный кронштейн непосредственно перед испытуемым под планшет (8) или панель со шкалой для субъективной оценки испытуемым нагрузки на свое дыхание во время тестов с использованием индекса по Боргу.
Конструкция является быстро разборной, что позволяет продезинфицировать ее отдельные части после длительных экспериментов.
Конструкция предусматривает мешок-чехол, полностью закрывающий установку, что обеспечивает защиту от загрязнений при транспортировке или длительном хранении.
Работа АПК для оценки состояния системы регуляции дыхания реализуется следующим образом.
Перед исследованием выполняется подготовительный этап, в котором осуществляется дозированная подача газов из блока подачи газов (A2) в блок газораспределения (A1). Характеристики газовой смеси контролируются с интерфейса АПК. После наполнения системы газовой смесью дыхательный контур замыкается, вентилятор (12) непрерывно перемешивает смесь в дыхательном контуре, а поток через ХП (15) перекрыт посредством крана с электроприводом (14). Обратный клапан исключает самопроизвольное поглощение углекислого газа из контура при перекрытом ХП (15).
Далее выполняется этап оценки состояния системы регуляции дыхания, при этом испытуемый подключается к респиратору (3), подключенному к клапанной коробке (4) через фильтр (2). Дыхание производится через рот, носовой проход перекрывается. Вдох производится через шланг вдоха, выдох - через шланг выдоха (7). В режиме свободного дыхания дыхательный контур замкнут, а испытуемый подключен через шланги вдоха и выдоха (7), систему кранов (9) на атмосферу. Датчики газоанализатора (23) и датчик воздушного потока (1) регистрируют состав газовой смеси и дыхательный поток при свободном дыхании.
АПК мгновенно переходит в режим возвратного дыхания переключением кранов (9), при этом испытуемый подключается к дыхательному контуру. Нерастяжимый мешок в металлическом боксе (11) изменяет объем в соответствии с дыхательными циклами человека. Подключенный к мешку датчик воздушного потока (1) позволяет регистрировать дыхательный поток испытуемого.
Испытуемый начинает режим возвратного дыхания после глубокого выдоха в атмосферу. Затем он делает вдох из контура. Так как контур представляет собой замкнутую систему определенного объема, то во время вдоха ранее спавшийся нерастяжимый мешок раздувается на объем вдоха. Затем человек делает выдох в контур. При этом мешок спадает на объем выдоха в контур. Таким образом, совершаются дыхательные циклы во время возвратного дыхания вплоть до переключения на дыхание атмосферным воздухом.
Мешок связан с атмосферой через датчик воздушного потока (1). Так как суммарный объем газа в мешке и газа, находящегося в боксе вне мешка, всегда равен объему бокса, то объем вдоха и выдоха в пространство бокса вне мешка вызывает изменение объема мешка, равное объему вдоха и выдоха. При этом из мешка через датчик воздушного потока проходит атмосферный воздух постоянного состава, что обеспечивает точную регистрацию дыхательных объемов и вентиляции испытуемого. Непосредственная регистрация дыхательного потока в контуре не обеспечивает точную регистрацию потока, так как в ходе возвратного дыхания состав воздуха в контуре изменяется, а характеристики датчика воздушного потока зависят от состава воздуха. Величины дыхательных объемов и вентиляции далее используются для оценки состояния системы регуляции дыхания человека. Режим возвратного дыхания продолжается вплоть до отказа или до достижения заданного состава воздуха в дыхательном контуре.
Вентилятор (12) обеспечивает непрерывный поток в контуре, равномерное перемешивание газовой смеси и уменьшает сопротивление дыханию испытуемого при вдохе и выдохе, подстраивая производительность вентилятора (12) под собственную вентиляцию человека.
После завершения режима возвратного дыхания АПК переходит в режим дыхания атмосферным воздухом, при этом испытуемый снова переключается на атмосферу с помощью кранов (9).
Для продувки дыхательного контура четырехходовой кран (10) размыкает контур, а вентилятор (12) в течение нескольких минут продувает его.
В контуре предусмотрен патрубок (25) для взятия проб газа из контура во время эксперимента, вмонтированный в контур последовательно с вентилятором (12). Патрубок (25) может быть использован для подключения к нему газозаборника газоанализаторов (5), датчика давления и при необходимости подключения к нему блока подачи газов (A2).
Для управления АПК на терминальное устройство (21) устанавливается соответствующее программное обеспечение, кроме того, система предусматривает и ручной режим управления. Программное обеспечение позволяет задавать автоматический режим управления параметрами газовой смеси в контуре, при этом изменение потока через ХП (15) и скорость потока в системе, а также переключение на свободное дыхание выполняются автоматически в зависимости от парциальных давлений кислорода и углекислого газа, скорости нарастания и вентиляции испытуемого. Это позволяет системе подстраиваться под испытуемого и задавать одинаковое воздействие на испытуемых.
В системе предусмотрен ручной режим управления, позволяющий вносить корректировки в режим работы АПК, в управление скоростью потока и регуляции потока через ХП (15), а также для преждевременной остановки эксперимента.
Программное обеспечение позволяет:
- регистрировать сигналы с датчиков (23) и (1);
- обрабатывать получаемый сигнал;
- регулировать поток через ХП (15);
- регулировать поток от генератора кислорода (18);
- регулировать поток в контуре и через ХП (15) посредством датчика воздушного потока (1), находящегося у ХП (15).
Оценка эмоционального состояния человека и его ощущений, вызванных вентиляционной реакцией до проведения эксперимента и после окончания периода возвратного дыхания, а также во время возвратного дыхания, обеспечивается программным обеспечением, установленным на устройство - планшет (8), расположенный на кронштейне перед испытуемым. Данные с планшета (8) посредством беспроводной связи (22) передаются на терминальное устройство (21).
На планшете (8) инсталлируется программное обеспечение для регистрации субъективных данных о самочувствии испытуемого. Для оценки эмоционального состояния человека и его ощущений, вызванных вентиляционной реакцией до проведения эксперимента и после окончания периода возвратного дыхания испытуемому предлагается ответить на вопросы теста по субъективной оценке состояния организма. Во время теста испытуемый оценивает нагрузку на дыхание с использованием индекса нагрузки по Боргу (тест оценки отдышки).