Требования к современным спирометрам

УДК 616.24-073.173

С.З. Шкундин, С.И. Буянов, А.А. Жердев

ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ СПИРОМЕТРАМ

Данная статья посвящена формулированию требований для современных приборов функциональной диагностики внешнего дыхания - спирометров. Автором производится сравнение основных методов, заложенных в основу медицинских приборов, формируется список критериев, по которым, в дальнейшем, производится сравнение существующих методов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АКУСТИЧЕСКИЙ СПИРОМЕТР,

ФУНКЦИЯ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА, СПИРОМЕТРИЯ.

This article is devoted to formulating the requirements for modern instruments of functional status of external respiration - spirometry. The author compares the basic methods underlying the medical device to generate a list of criteria by which, in the future, we compare the existing methods.

KEY WORDS: ACOUSTIC SPIROMETER, RESPIRATORY

FUNCTION, FUNCTIONAL DIAGNOSTICS, SPIROMETRY.

Неудовлетворительное состояние условий труда на угольных предприятиях способствуют устойчивому росту вновь выявляемых заболеваний. Это обусловлено в первую очередь тем, что горнорабочие подвергаются постоянному воздействию опасных и вредных факторов производства, таких как воздействие угольной пыли, недостаток дневного света, кислородное голодание и т.д. Ситуация усугубляется из-за отсутствия должного контроля за динамикой развития профессиональных заболеваний среди горнорабочих. Если к этому прибавить нежелание либо невозможность работника вовремя пройти профилактическое обследование, то неудивительно, что угольная промышленность занимает первое место по числу ежегодно вновь выявляемых профессиональных заболеваний в России [1].

На предприятиях угледобывающей промышленности широкое распространение получили хронические обструктивные болезни легких (ХОБЛ) [2]. Хроническая обструктивная болезнь

легких является одной из важнейших причин нарушения здоровья во всем мире [4]. Это болезненное состояние, характеризующееся не полностью обратимым ограничением вентиляции легких. Это ограничение обычно прогрессирует и связано с патологическим воспалительным процессом органов дыхания [3].

В [4] утверждается, что ХОБЛ являются третьей причиной смертности в мире, а также предсказывается их дальнейшее распространение и увеличение летальных исходов. В структуре заболеваемости они входят в число лидирующих по числу дней нетрудоспособности и причинам инвалидности [5]. Особое место в группе ХОБЛ занимает хронический бронхит. Он является причиной 80 % смертельных случаев и 50 % случаев инвалидности, вызванных заболеваниями бронхолегочной системы [6]. Такое положение во многом обусловлено поздней диагностикой этой патологии - выраженные симптомы заболевания проявляются, когда легочная функция уже существенно нарушена, а терапия теряет часть эффективности. Поэтому ранняя диагностика функциональных респираторных нарушений при заболеваниях легких является проблемой чрезвычайно актуальной [7].

ХОБЛ в условиях действия факторов риска развивается крайне медленно, что затрудняет раннюю диагностику этого заболевания [8]. Большинство заболеваний органов дыхания на поздних стадиях являются уже необратимыми, в связи с чем своевременная оценка функции внешнего дыхания имеет важное диагностическое значение и является крайне необходимой для мониторинга состояния обследуемого.

Для диагностики нарушений в органах дыхания используются специальные приборы - спироанализаторы и пневмотахометры. От принципа их действия и точности измерения зависит возможность своевременной постановки верного диагноза, а также принятие мер предотвращения заболевания на ранней стадии, поэтому задача повышения точности производимых спирометрами измерений является важной и актуальной.

Исходя из выполняемых спирометрами функций, был сформулирован список требований, которые предъявляются к современным спирометрам.

1. Сопротивление дыханию - одна из самых важных характеристик средств измерения функции внешнего дыхания че-

ловека, поскольку внесение погрешности в результаты измерения уже на этой стадии крайне негативно сказывается на конечном результате. Низкое сопротивление спирометра чрезвычайно важно для увеличения точности измерения, особенно у больных с ограничениями дыхательной функции. Также избыточное сопротивление спирометра серьезно влияет на качество измерения, изменяя паттерн дыхательного процесса обследуемого, что обусловлено податливостью грудной клетки [2].

2. Инерция. Безынерционность проведения измерений позволяет обрабатывать полученную информацию с прибора в режиме реального времени. Большое количество измерений в единицу времени позволяет уменьшить случайную составляющую погрешности за счет осреднения конечного результата. Показатель ТПОС просто не возможно рассчитать, если прибор производит меньше 100 измерений в секунду.

3. Возможность регистрации высокочастотных составляющих в потоке. Регистрация высокочастотных составляющих в потоке позволяет получать дополнительную информацию о характере патологий органов дыхания (выявить дыхательные шумы и проч.) [2].

4. Износостойкость. Составные части спирометра должны быть рассчитаны на длительное использование в условиях 100% влажности, а также быть устойчивыми к обработке дезинфицирующими средствами. У пациентов с тяжелыми хроническими воспалительными заболеваниями измерение ФЖЕЛ (форсированная жизненная емкость легких) зачастую приводит к выделению большого количества мокроты, которая попадает непосредственно в измерительный прибор.

5. Устойчивость к механическим повреждениям. Длительная эксплуатация спирометра невозможна без его стойкости к механическим повреждениям. Это является особенно критичным для приборов, рассчитанных на ручное применение. В случае ручных электрических приборов они должны быть устойчивы к грубому воздействию по ГОСТ Р 50267 [9].

6. Измерение малых объемов и расходов. Большинство дыхательных маневров требуют от пациентов максимально возможного выдоха или вдоха. Начало и завершение маневра фиксируются прибором, когда поток через него достигает его порога

чувствительности. Неверное определение момента завершения или начала маневра вносит дополнительную погрешность в определение параметров ФВД.

7. Точность измерения. Практически каждый из рассмотренных выше критериев в той или иной степени оказывает влияние на суммарную погрешность измерения. Спирометры должны обладать минимальной погрешностью, при измерении контролируемых параметров ФВД.

8. Санитарная обработка. Как медицинское средство, которое контактирует со слизистыми пациента, а также участвует в его дыхательном цикле, спирометр должен подвергаться обязательной стерилизации и предстерилизационной очистке, поэтому конструкция прибора должна предусматривать возможность проведения этих мероприятий. В случае применения одноразовых мундштуков возможно ограничиться только дезинфекцией прибора [10].

Современные спирометры представляют собой расходомеры различных принципов действия. Измерители потока на основе дифференциального манометра работают на едином принципе: при прохождении потока воздуха через некоторое сопротивление (сетка, сужение трубки и т.п.) возникает перепад давлений в потоке (перед преградой давление повышается, за ней - понижается). Разность давлений прямопропорциональна скорости потока. В результате производится расчет объемной скорости потока и объема воздуха, прошедшего через трубку.

Турбинные измерители скорости потока преобразуют импульс движения воздуха во вращение крыльчатки. Частота вращения ротора прямопропорциональна скорости потока, а из числа оборотов вычисляют объем прошедшего воздуха.

Принцип измерений спирометров-термоанемометров основан на эффекте изменения электрического сопротивления охлаждаемого воздушным потоком нагретого терморезистора. Воздух проходит через спираль, нагреваемую электрическим током до постоянной температуры. Степень охлаждения терморезистора зависит от скорости и температуры проходящего мимо него воздуха.

Водяной спирометр Хатчинсона представляет собой колокол, в который производится выдох или из которого осуществля-

ется вдох. Изменение объема легких в нем регистрируется по изменению объема цилиндра, соединенного с откалиброванным вращающимся барабаном.

Вихревые расходомеры используют эффект, возникающий при взаимодействии протекающей среды с «телом обтекания». Принцип работы приборов, основанных на этом эффекте, заключается в фиксировании вихрей, возникающих за «телом обтекания», помещённым в поток, а именно, если в поток измеряемой среды поместить некое «тело» (стержень особой формы), то частота возникающих на нём вихрей, так называемая «дорожка Кармана», будет пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и объёмному расходу.

В последние два десятилетия набирает обороты акустический метод измерения скоростей и расходов. Метод был разработан проф. Шкундиным Семеном Захаровичем и основан на ускорении или замедлении акустических колебаний движущимся через измерительный канал потоком.

Как показал анализ, наиболее предпочтительными для применения являются спирометры на основе акустического метода измерения расходов, поскольку при отсутствии явных недостатков они обладают такими достоинствами, которые не присущи средствам измерения на основе других методов, а именно:

• отсутствие движущихся частей в измерительном канале;

• низкая инерционность;

• погрешность производимых измерений не превышает 2 %;

• акустический спирометр является единственным прибором из рассмотренных, который учитывает средний расход по всему сечению измерительного канала;

• внешние условия оказывают наименьшее влияние на точность измерения, поскольку в процессе автоматически производится расчет скорости звука для текущих условий

В настоящее время на кафедре ЭИС МГГУ разрабатывается опытный образец акустического спирометра, который, исходя из достоинств метода, на котором он основан, составит достойную конкуренцию Российским и зарубежным спирометрическим приборам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Никитенко Е.А. Прогноз динамики риска заболеваемости шахтеров пневмокониозом в зависимости от темпов проходки горных выработок. // Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Москва: МГГУ, 2005. - С. 9.

2. Степанян И.В. Нейросетевые алгоритмы распознавания результатов акустической спирометрии, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2005, 19б с.

3. Цветкова О.А., Воронкова О.О. Лечение больных хронической обструк-тивной болезнью легких beta2-агонистами длительного действия», журнал Consilium Medicum, Том б № 10, 2004.

4. Lenfant Claude, Khaltaev Nikolai. Global Initiative for chronic obstructive lung disease, National institutes of Health, USA, 200З year, 9б pages.

5. Айсанов З.Р., Кокосов А.Н., Овчаренко С.И., Хмелькова Н.Г., Цой А.Н., Чучалин А.Г., Шмелев Е.И. Хронические обструктивные болезни легких. Федеральная программа. - M.: Consilium Medicum Том 2/N 1/2000.

6. Марчук Г.И., Бербенцова Э.П. // Хронический бронхит. Иммунология, оценка тяжести, клиника, лечение. - М.: Ред. журнала Успехи физиологических наук. - 1995. 479 стр.

7. Калманова Е.Н. Исследование респираторной функции у больных легочными заболеваниями // http://www.medlinks.ru/ 200З.

S. Пасько Е.Н. Хронический обструктивный бронхит. Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина // Медицинский информационный портал http://www.medicusamicus.com.

9. ГОСТ Р 502б7.0 - 92. Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности.

10. МУ-287-113. Методические указания по дезинфекции, предстерилиза-ционной очистке и стерилизации изделий медицинского назначения. Министерство здравоохранения Российской Федерации от З0 декабря 199S г.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шкундин Семен Захарович - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой Электротехники и информационных систем МГГУ, shkundin@mail.ru119991

Буянов Сергей Игоревич - старший преподаватель кафедры Электротехники и информационных систем МГГУ, buyanovs@mail.ru

Жердев Алексей Александрович - аспирант кафедры Электротехники и информационных систем МГГУ, azherdevSб@yandex.ru.