Система измерения энергетических затрат организма в экстремальных условиях
SYSTEM FOR MEASURING BODY ENERGY EXPENDITURE IN EXTREME CONDITIONS

Изобретение относится к системам динамического контроля (или мониторинга) газовых сред и устройствам неинвазивного контроля состояния энергетического обмена организма человека в условиях чрезмерных или разнонаправленных физических, психологических, стрессовых нагрузок в течение продолжительного времени, а также при энергозатратных патологических состояниях; по составу выдыхаемого воздуха; диагностики при определении степени тяжести состояния для сортировки пострадавших в результате чрезвычайных ситуаций (ЧС); определения физического состояния организма в процессе тренировок, под воздействием нагрузок различного характера; контроля состояния членов экипажей автономных изолированных систем и пилотируемых аппаратов.
Известно газоизмерительное устройство и способ его работы (RU 2502066, G01N 27/12, G01N 25/00, G01N 25/18, G01R 31/00, опубл. 20.12.2013) для измерения присутствия заданного газа в текучей среде, где принцип работы основан на использовании полупроводниковых ячеек с нагревательными элементами для поддержания рабочей температуры. Анализ происходит путем фиксирования изменений хотя бы одного из электрических свойств полупроводника. Также обосновывается возможность встраивания дополнительных элементов и портативность данного устройства. При анализе данного устройства были установлены следующие недостатки:
1. Сложность системы. Подогрев и поддержание рабочей температуры чувствительного элемента требует относительно мощных источников питания, что сложно обеспечить при продолжительном использовании в портативном устройстве.
2. Основным недостатком полупроводниковых датчиков является быстрый процесс увеличения ошибки по сравнению с другими типами сенсоров. Это снижение точности со временем приводит к искажению получаемых результатов и не дает возможности отследить изменение состояния пациента в реальном времени при длительном использовании, так как концентрация элемента в малых дозах может оказаться в пределах ошибки. По этой причине необходима частая поверка и замена датчиков, что не всегда практично и возможно. Следовательно, приоритет использования данного устройства - это лабораторные условия эксперимента и поверки оборудования, что не позволяет его эффективно использовать в условиях, напрямую моделирующих профессиональную деятельность. В то же время предлагаемый нами вариант способа отбора проб выдыхаемого воздуха предусматривает использование на этапе воздухозабора только механические элементы и модули, на зависящие от внешних электрических источников и аккумуляторов, требующих периодической зарядки, что не всегда возможно при экстремальных видах деятельности.
Известно устройство для динамического контроля газовых сред и неинвазивного контроля состояния объекта (пациента), непрерывной оценки функционального состояния биологических систем организма, диагностики при определении степени тяжести состояния, созданное на основе подобранных монохроматических пар, представляющих твердотельный монохроматический излучатель (на базе диодного лазера) и твердотельный монохроматический приемник, возможно, снабженный дополнительным встраиваемым монохроматическим фильтром. Все элементы смонтированы в сегментированном профилированном жестком элементе, который сконструирован либо в форме кольца, либо линейного устройства с обусловленным соотношением сторон, либо n-гранной призмы, встраиваемой в магистраль выдоха дыхательной маски за клапаном выдоха. При этом подбор монохроматических пар осуществляется в соответствии с заранее выбранным набором определяемых газов согласно поставленной для каждого конкретного случая задаче и может быть реализован как единичной монохроматической парой, так и параллельно либо последовательно установленными монохроматическими парами. Последние могут быть объединены в группы двух и более элементов в зависимости от количества определяемых газов, при этом оптический путь луча от излучателя к приемнику обеспечивает перекрытие всей площади поперечного сечения воздушной магистрали, что реализуется за счет ориентации излучателя и приемника относительно друг друга и светоотражающих характеристик рабочих поверхностей сегментированного элемента. Характеристики проходящего потока выдыхаемого воздуха (дыхательной смеси) при этом фиксируются комплексом датчиков давления и влажности (патент РФ №2625258, А61В 5/08, G01N 21/61, G01N 33/497, опубл. 12.07.2017).
Обращает внимание невозможность мониторинговых исследований, что не позволяет в условиях реальной быстро меняющейся динамики элементов профессиональной деятельности отслеживать изменение энергетического обмена специалистов, особенно в условиях критических показателей среды обитания, физических и нервно-эмоциональных нагрузок.
Известно классическое устройство для оценки легочной вентиляции в единицу времени (мощности вентиляции) и отбора проб воздуха для оценки состава выдыхаемого воздуха (мешки Дугласа объемом 50, 100 и 150 л) и последующего расчета энергетических затрат организма при отдельных моделируемых видах профессиональной деятельности. Его основными недостатками являются а) крупные габариты (объемные характеристики), не позволяющими проводить исследования в нестандартных условиях (малые объемы автономных объектов); б) значительный вес, что вносит коррективы в реальные энерготраты при отдельных видах деятельности; в) ограниченность по времени исследований, определяемых объемом мешков Дугласа, что не позволяет осуществлять мониторинг разноплановых по величине физических и тепловых нагрузок, свойственных множеству профессий при экстремальных и динамичных видах деятельности; г) значительные ошибки при обобщении (с учетом хронометража) конечных результатов энерготрат за продолжительные периоды деятельности в экстремальных условиях.
Предлагаемая система отбора проб выдыхаемого воздуха для мониторинга энергетических затрат организма человека предусматривает решение нескольких задач: а) создание системы измерения энергетических затрат организма в экстремальных условиях, не требующая зависимости от энергоисточников, б) динамичность исследований, позволяющая в режиме мониторинга производить отбор проб воздуха через короткие промежутки времени при частой смене непродолжительных видов деятельности в экстремальных условиях; в) доставка множества проб воздуха к единым центрам оценки газового состава и определения энерготрат, находящихся дистанционно на удалении в стационарных и мобильных пунктах измерения; г) низкое сопротивление дыханию (не более 30 мм вод. ст.) и снижение ошибки при оценке легочной вентиляции за счет малоинерционных волюметров и использования двух легких (до 100 г) мешков из плотной ткани объемом 5 л каждый - аналогов дыхательных мешков портативных дыхательных мешков, используемых ранее на ВМФ (ПДУ-1 и ПДУ-2); д) снижение объемных характеристик и массы системы забора проб, позволяющей проводить исследования в малогабаритных автономных объектах и помещениях и снижающих ошибку за счет весовых характеристик; учет всех необходимых поправок и коэффициентов (давление, температура, влажность), оказывающих влияние на конечные величины газообмена и энерготрат; е) возможность проводить мониторинг (многоразовый забор проб) динамики энерготрат, не снимая с испытателя предлагаемую систему и проводя заборы проб воздуха в специальные камеры, что позволяет более объективно отражать или моделировать реальные нагрузки при отдельных видах профессиональной деятельности в экстремальных условиях; ж) возможность комплектации системы из элементов существующих приборов и средств измерения; з) расширение и повышение объективности методической базы за пределы лабораторий специализированных НИИ в случае натурных или войсковых испытаний, предполагающих гигиеническую оценку реальной физической, умственной и эмоциональной нагрузки при экстремальных видах деятельности.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в системе измерения энергетических затрат организма в экстремальных условиях методом непрямой калориметрии к клапанной коробке (вдох из атмосферы - выдох в систему) подсоединен гофрированный шланг, на котором установлены последовательно два тройника: к первому через отдельное отверстие подсоединены последовательно посредством резинового шланга двухклапанный однонаправленный (одновекторный) нагнетататель воздуха (аналог «груши» и шлангов тонометров - приборов для измерения артериального давления) и съемная резиновая камера (с однонаправленным клапаном, пропускающим выдыхаемый воздух только внутрь камеры) для отбора проб воздуха с целью измерения газового состава и влажности выдыхаемого воздуха, необходимых для расчета энерготрат. Ко второму тройнику через отдельное отверстие установлен сублингвальный термометр для измерения температуры выдыхаемого воздуха, что также необходимо при расчете энерготрат методом непрямой калориметрии. Между тройниками и элементами гофрированного шланга устанавливается волюметр, позволяющий оценивать легочную вентиляцию. В связи с высокими амплитудными колебаниями концентрации и скорости движения газовой смеси на этапах выдоха возрастает вероятность значимой ошибки при отборе проб воздуха в съемные камеры. С целью снижения ошибки при оценке энерготрат из-за различной скорости движения воздуха (отражается негативно на инерционности волюметров) и изменением концентрации углекислого газа и кислорода в процессе выдоха перед первым тройником встраиваются посредством втулок, закрепляемых зажимами типа «хомут», два последовательно соединенных мешка-стабилизатора общим объемом 10 л. Это обеспечивает усредненные показания газового состава и стабилизирует скорость движения воздуха при прохождении газовой смеси через волюметр и отборе проб в съемные камеры.
Таким образом, клапанная коробки предназначена для раздельного поступления вдыхаемого и выдыхаемого воздуха; наличие гофрированного шланга обеспечивает возможность изменения расстояния при двигательной активности; мешки-стабилизаторы уравновешивают скорость выдыхаемого воздуха и стабилизируют газовый состав выдыхаемого воздуха; волюметр предназначен для измерения объема выдыхаемого воздуха. Первый тройник позволяет через отдельное отверстие проводить отбор проб воздуха в специальные съемные резиновые камеры посредством двухклапанного нагнетателя воздуха - аналога «груши» аппаратов Рива-Роччи и иных тонометров - с целью измерения газового состава и влажности выдыхаемого воздуха; второй тройник позволяет через отдельное отверстие измерять сублингвальным термометром температуру выдыхаемого воздуха.
Изобретение поясняется фиг. 1, на которой представлена схема системы.
Система содержит:
1. Клапанная коробка (загубник, патрубки на «вдох» и «выдох»);
2. Лепестковые травящие клапаны (на «вдох» и «выдох»);
3. Гофрированный шланг;
4. Мешки-стабилизаторы (для стабилизации концентрации и скорости выдыхаемой газовой смеси);
5. Втулки между мешками - стабилизаторами и элементами гофрированного шланга;
6. Тройник - распределитель выдыхаемого воздуха на волюметр и съемную резиновую камеру (аналог тройников от анестезиологического оборудования РО-4, РО-6);
7. Шланг от сфигмоманометра (аппарата Рива - Роччи);
8. Однонаправленный нагнетатель воздуха в съемную резиновую камеру;
9. Встроенные в нагнетатель воздуха два клапана (один на «вход», один на «вход»)
10. Клапан на «вход» в съемную камеру;
11. Съемная резиновая камера;
12. Волюметр;
13. Тройник - переходник, позволяющий удалять выдыхаемую газовую смесь из системы и измерять температуру выдыхаемого воздуха (с помощью сублингвального термометра);
14. Сублингвальный термометр (или датчик электротермометра);
15. Шланг - протектор температуры выдыхаемого воздуха от воздействия внешних микроклиматических условий;
16. Клейкая табличка с указанием номера пробы, времени и даты отбора;
17. Классические точки крепления «липучки» к одежде испытателей-добровольцев.
18. Жирной стрелкой обозначен основной вектор движения выдыхаемого воздуха, а более тонкой стрелкой обозначено направление выдыхаемой смеси в съемную камеру при отборе проб.
Система работает следующим образом. Система при классических исследованиях на открытой местности крепится «липучками» №17 (по типу тонометров) к груди в 4 точках: в районе 3-4 ребра (слева), под мышкой слева по дорзальной поверхности подмышечной впадины (ниже 15 см от плечевого сустава), слева на 5 см и справа на 5 см от угла правой лопатки. Данные точки соответствуют: а) начальной (проксимальной) части гофрированного шланга №3 (после клапанной коробки №1), б) месторасположению перед дыхательными мешками мешками-стабилизаторами №4 (емкость не более 10 л; две камеры по 5 л), нормализующими состав выдыхаемой смеси, в) локализации перед волюметром №12 (газометром), г) креплению после волюметра №12. В случае исследований в автономных объектах небольших объемов места крепления модифицируются с учетом эргономических особенностей и специфики элементов профессиональной деятельности. Вдох осуществляется из атмосферы среды обитания в объектах или окружающей среды при деятельности на открытой местности через патрубок и клапан вдоха клапанной коробки №1, а выдох - через патрубок, оборудованный клапаном выдоха - в предлагаемую систему. После прохождения через гофрированный шланг №3, обеспечивающий изменение длины системы при двигательной активности, воздух попадает в мешки-стабилизаторы №4. Включение в систему двух мешков-стабилизаторов №4 (по 5 л) из легких спецматериалов, используемых ранее в портативных дыхательных аппаратах на ВМФ, преследует две цели: а) выравнивается скорость воздушной смеси, подаваемой через тройник №6 на волюметр №12, что позволяет уменьшить его инерционность, стабилизировать концентрацию и скорость выдыхаемой газовой смеси и, следовательно, ошибку при оценке энергетических затрат и б) нормализуется до средних величин состав газовой смеси, подаваемой через специальный выход того же тройника в съемные камеры №11, что также снижает ошибку при расчетах энерготрат. Съемные камеры №11 объемом 2-3 л (например, аналоги волейбольным) со встроенным клапаном на «вход» №10 выполнены из спецтканей или легкой, но плотной резины и подсоединяются к тройнику №6 через однонаправленный нагнетатель воздуха №8 - аналога «груши» в тонометрах. Оба клапана №9 нагнетателя воздуха №8 являются однонаправленными (одновекторными) в сторону движения выдыхаемого воздуха в съемную камеру. За час можно отобрать 10-30 проб воздуха в автономных условиях, причем на заранее прикрепленных к камерам клейких табличках №16 (например, из лейкопластыря или современных клейких закладках), наносятся нумерация пробы, легочная вентиляция, температура выдыхаемого воздуха, время забора пробы. После доставки в пункты анализа газового состава, с учетом легочной вентиляции, давления водяных паров и температуры выдыхаемого воздуха рассчитываются энерготраты. Этим обеспечивается тщательный мониторинг динамики энерготрат при выполнении различных по энергоемкости элементов профессиональной деятельности, и, следовательно, более точный расчет общих энерготрат при отдельных видах труда, отдыха, за рабочий день, за время выполнения определенных задач. Температура выдыхаемого воздуха определяется посредством сублингвального подъязычного термометра №14, встроенного герметично (используются пробки для медицинских емкостей) через специальное отверстие второго тройника №13, расположенного последовательно после волюметра №12. Основной патрубок (выход) из тройника №13 оборудуется гофрированным шлангом №15 длиной не менее 10 см с целью уменьшения ошибки показаний термометра из-за заброса воздуха из атмосферы при ветреной погоде или искусственной вентиляции свыше 1 м/с.