СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗА, ВСТРАИВАЕМОЕ В МАГИСТРАЛЬ ВЫДОХА ДЫХАТЕЛЬНОЙ МАСКИ
METHOD AND DEVICE FOR DYNAMIC GAS ANALYSIS BUILT INTO EXPIRATION MAIN OF BREATHER MASK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системам динамического контроля газовых сред и устройствам неинвазивного контроля состояния живого организма (пациента) как при использовании им различных дыхательных смесей, так и без такового, находящегося под воздействием физических, психологических, стрессовых нагрузок, а также различного рода болезненных состояний, по составу выдыхаемого воздуха; оценки функционального состояния биологических систем организма в течение длительного времени под воздействием разнонаправленных перегрузок; 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.
ПРОТОТИПЫ (ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ)
Способ динамического газоанализа реализован в патентах SU 1088462 "Аэродинамический газоанализатор" и зависимом от него SU 472287.
Аэродинамический газоанализатор содержит мост гидравлических сопротивлений, одно из которых выполнено переменным с использованием индикатора перепада давлений. Также применяется мембранный элемент сетчатого типа с диаметром пор, превышающим среднюю длину свободного пробега молекулы анализируемой газовой среды. Таким способом определяется только количественный расход газа, но не процентное содержание отдельных компонентов газовой смеси.
Для получения достоверного результата прибор требует выравнивания температуры и давления определяемого газа. Из этого следует, что работа при вязкостном режиме течения с изменяемыми характеристиками газового потока возможна только на отобранных пробах, в которых соблюдены заявленные требования по температуре и давлению газа.
Данная схема прибора предназначена для работы с сухим воздухом и без скачков влажности. При этом известно, что дыхательный процесс характеризуется изменением давления в магистрали выдоха в пределах дыхательного цикла и влажность выдыхаемого воздуха близка к 100%.
При газоанализе дыхательного процесса требование к выравниванию давления в магистрали выдоха невыполнимо и может быть выполнено только при пробоотборе, что было реализовано в бортовых газоанализаторах, поскольку вмешательство в процесс произвольного дыхания может быть опасно для жизни объекта (пациента), однако пробоотбор не реализует принцип динамического газоанализа в полной мере и при долговременном мониторинге с высокой частотой забора проб и большим количеством измерений ведет к накоплению ошибки.
Существует достаточно большое количество газоанализаторов, реализующих различные принципы работы, такие как хемосорбционные, полупроводниковые и фотоионизационные, использующиеся, в том числе, в бортовых системах. Наиболее полно данные принципы были описаны в патенте RU 2502065 "Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации", описывающем электрохимическую и фотоионизационную ячейки с использованием химических фильтров, и в патенте RU 2502066 "Газоизмерительное устройство и способ его работы", в котором описана полупроводниковая схема.
В патенте RU 2502065 "Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации" для анализа газовой среды предлагается использовать сенсоры двух типов: электрохимические и фотоионизационные, которые, в силу своих конструктивных особенностей имеют свойство накапливать ошибки при длительном использовании. При этом для получения достоверного результата предлагается проводить измерения двукратно: с использованием на входах сенсоров химических фильтров, отделяющих от газовой смеси, поступающей в каждый сенсор, индивидуальный компонент газовой смеси, определяемой данным сенсором, и без использования фильтра, сравнивая полученные результаты и на основе этого делая выводы о концентрации определяемого компонента в исследуемой смеси. Для этого предлагается использовать приводы и тяги различного типа. Анализ данной конструкции выявил следующие недостатки:
1. Необходимость забора проб.
2. Низкая избирательность и длительность установления показаний при измерении малых концентраций.
3. Двукратное измерение состава газовой смеси требует времени и может послужить причиной остаточного эффекта при вторичном замере, что ведет к накоплению ошибки. Данный способ дает относительно низкую частоту снятия показаний, явно недостаточную для динамической оценки состояния пациента, находящегося под воздействием нагрузок различного характера.
4. Сложность системы из-за механизмов перемещения фильтров.
5. Высокий риск искажения результата в присутствии наведенных электромагнитных полей.
6. Накопление ошибки при длительном и непрерывном использовании.
В патенте RU 2502066 "Газоизмерительное устройство и способ его работы" (по данной заявке испрошен приоритет предварительной заявки US 60/997084, поданной 1 октября 2007 года.) для измерения присутствия заданного газа в текучей среде предлагается использовать полупроводниковые ячейки с нагревательными элементами для поддержания рабочей температуры. Анализ происходит путем фиксирования изменений хотя бы одного из электрических свойств полупроводника. Также говорится о возможности встраивания и портативности данного устройства. При анализе данного устройства были выделены следующие недостатки:
1. Сложность системы. Подогрев и поддержание рабочей температуры чувствительного элемента требует относительно мощных источников питания, что трудно обеспечить при длительном использовании в портативном устройстве.
2. Основным недостатком полупроводниковых датчиков является быстрый процесс накопления 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.
Компенсировать большую часть перечисленных недостатков может газоанализатор, реализующий принципы диодно-лазерной спектроскопии. Данный принцип дает следующие преимущества: скорость; точность; практическое отсутствие накопления ошибок с течением времени, свойственного многим типам газоанализаторов, в особенности полупроводниковым; возможность непрерывного снятия характеристик.
Наиболее близкими по прототипу являются следующие газоанализаторы, реализующие принципы лазерной спектроскопии, однако обладающие, по сравнению с предлагаемым устройством, рядом недостатков:
I) RU 2468343 «Газоанализатор на основе микроспектрометра» (данная заявка притязает на приоритет согласно 35 U.S.C. § 120 в качестве частичного продолжения (CIP) патентной заявки США №11/648,851, поданной 29 декабря 2006 г. и оформленной патентом US 7605370 "Microspectrometer gas analyzer").
Недостатком данного газоанализатора является использование сложных зеркальных динамических систем, не предназначенных для работы в условиях разнонаправленных механических перегрузок и вибрации. Кроме того, при минимизации размеров системы, переводящей ее в область MEMS технологий, имеется определенная сложность при монтаже элементов системы, ведущая к ее удорожанию.
II) RU 2384836 С1 «Способ одновременного определения концентрации молекул СО и CO2 в газообразной среде и устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и CO2 в газообразной среде».
Недостатками данного газоанализатора являются использование многоходовой кюветы с оптическими линзами, не предназначенными для работы в условиях разнонаправленных механических перегрузок и вибрации, а также работа с пробами газов или выдыхаемого воздуха. Это обуславливает размеры изделия существенно большие, нежели предлагаемая разработка, и достаточно сложную схему за счет использования оптических компонентов.
III) RU 2313078 «Способ обнаружения газов с использованием спектрометра на основе полупроводникового диодного лазера и спектрометр для его осуществления».
Разработчики данного патента ссылаются на различные действующие модели квантово-каскадных лазеров без указания размеров оптической ячейки, но на предлагаемых промышленностью моделях длина ячейки достаточно велика, и в ряде случаев снабжена дополнительной оптической системой, что, по сравнению с предлагаемым устройством, является недостатком.
Основным недостатком является необходимость охлаждения и термостабилизации квантово-каскадных лазеров, в них осложнена работа при высоких температурах и локальном перегреве.
Целью предлагаемого изобретения является определение и интерпретация изменения состава дыхательной смеси при выдохе в реальном времени в течение дыхательного цикла, то есть реализация принципа динамического газоанализа при определении количественного и качественного состава выдыхаемого пациентом воздуха путем непрерывного анализа спектров поглощения определяемых газов с помощью сегментированных элементов на основе подобранных монохроматических пар на протяжении всего времени использования дыхательной маски, в том числе длительном, более 2 часов, и, таким образом, постоянного контроля и, при необходимости, коррекции состояния объекта (пациента) путем реализации обратной связи, осуществляемой с использованием алгоритмов управления подачей компонентов дыхательной смеси и, за счет этого, изменения ее химического состава.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ динамического газоанализа реализуется за счет непрерывного анализа проходящего потока выдыхаемого воздуха либо дыхательной смеси по всей площади поперечного сечения воздушной магистрали без пробоотбора, позволяющий, за счет использования метода диодно-лазерной спектроскопии и комплекта датчиков давления и влажности, работать с газовыми смесями произвольных влажности и характера течения, а также различного происхождения и состава, а устройство динамического газоанализа создается на основе подобранных монохроматических пар. Монохроматическая пара представляет собой твердотельный монохроматический излучатель на базе диодного лазера и твердотельный монохроматический приемник, возможно снабженный дополнительным монохроматическим фильтром, смонтированные в сегментированном профилированном жестком кольце (Фиг. 1а) или линейном устройстве с противолежащими светопоглощающими и светоотражающими сторонами (Фиг. 1б) или тонкостенной жесткой n-гранной призме (Фиг. 1в), встраиваемые в магистраль выдоха дыхательной маски за клапаном выдоха, причем подбор монохроматических пар делается в зависимости от списка определяемых газов, выбранных в соответствии с поставленной для каждого конкретного случая задачей, и может быть реализован как единичной монохроматической парой, так и параллельно либо последовательно установленными монохроматическими парами. Профиль кольца, призмы или линейного устройства, а также взаимного расположения излучателя и приемника, рассчитывается для каждого из определяемых газов таким образом, чтобы обеспечить длину пробега луча, достаточную для получения достоверного результата определения концентрации определяемого компонента на основании закона Бугера - Ламберта - Бера.
Измерения концентраций различных компонентов газовой смеси проводятся в заранее просчитанных неперекрывающихся спектральных диапазонах для различных монохроматических пар. Сегментированные элементы с парами излучатель-приемник устанавливаются в магистрали выдоха в специальное устройство кассетного типа и могут быть при необходимости заменены. При этом юстировка излучателя и приемника предустановлена, то есть производится на сменных блоках в процессе их изготовления. Сегментированные элементы делятся по следующим типам.
Тип 1. Кольцо со светоотражающей рабочей поверхностью диаметра, приближенного к диаметру магистрали выдоха дыхательной маски, в образующую поверхность которого встроена пара излучатель-приемник под строго определенным, рассчитанным для каждого определяемого компонента углом по отношению друг к другу и высотой, определяемой размерами и взаимным расположением встраиваемых компонентов излучателя и приемника. (Фиг. 1а)
Тип 2. Линейное устройство, представляющее собой прямоугольник с обусловленным соотношением сторон и высотой, определяемой размерами встраиваемых компонентов излучателя и приемника, причем две противолежащие стороны являются светоотражающими, а две другие - светопоглощающими, при этом площади перекрытия поперечного сечения магистрали выдоха и линейного устройства обеспечивают максимально эффективное соотношение их площадей и минимальную турбулизацию протекающего потока, а взаимное расположение элементов монохроматической пары обеспечивает необходимую длину пробега луча для определения концентрации исследуемого компонента газовой смеси. (Фиг. 1б)
Тип 3. Тонкостенная жесткая n-гранная призма с высотой, определяемой размерами и взаимным расположением встраиваемых компонентов излучателя и приемника, вписанная в окружность диаметра, приближенного к диаметру магистрали выдоха дыхательной маски и количеством граней, зависящим от длины волны определяемого элемента, где все грани имеют светоотражающие поверхности, причем площади поперечного сечения магистрали выдоха и устройства в виде n-гранной призмы обеспечивают максимальное взаимное перекрытие, длину пробега луча, необходимую для получения достоверного результата определения концентрации определяемого компонента и минимальную турбулизацию протекающего потока. (Фиг. 1в)
Прибор состоит из сегментированных элементов, встраиваемых в магистраль выдоха дыхательной маски, которые посредством экранированной пары, либо оптоволоконного кабеля, представляющие из себя информационную магистраль, либо каналом беспроводной связи соединяются с управляющим блоком, включающим в себя модулятор сигнала, через преобразователь сигнала. Управляющий блок использует каналы прямой и обратной связи и соединен с вычислительной системой (Фиг. 2). Показания, снимаемые с приемника излучения, зависят от концентраций исследуемых веществ в газовой среде и сравниваются со значениями аналогичных показателей, принятых в качестве физиологической нормы для соответствующих условий. В случае отклонения от нормы сигнал подается как объекту, так и на органы внешнего контроля и управления.
Для реализации способа динамического газоанализа устройство укомплектовано комплексом датчиков давления и влажности, а для повышения точности измерения и предотвращения загрязнения сегментированных элементов дополнительным сменным мембранным фильтром, устанавливаемым перед первым сегментированным элементом.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ динамического газоанализа, реализующийся за счет непрерывного анализа проходящего потока выдыхаемого воздуха либо дыхательной смеси по всей площади поперечного сечения воздушной магистрали без пробоотбора, позволяет, за счет использования метода диодно-лазерной спектроскопии и комплекта датчиков давления и влажности, работать с газовыми смесями произвольных влажности и характера течения, а также различного происхождения и состава.
Проведенный патентный поиск в области динамических портативных встраиваемых газоанализаторов, реализующих метод диодно-лазерной спектроскопии и работающих на монохроматических парах, аналогичных разработок как в России, так и за рубежом не выявил.
От прототипов предлагаемые способ и устройство отличаются по следующим пунктам:
1) Измерение и обработка полученной информации происходят в режиме реального времени на протяжении всего времени использования газоанализатора с учетом перепадов давления и влажности в потоке выдыхаемого воздуха.
2) Использование для способа динамического газоанализа метода диодно-лазерной спектроскопии, основанного на непрерывном анализе проходящего потока газа с помощью набора монохроматических пар излучатель-приемник и датчиков давления для получения соотношения между общим объемом выдыхаемого воздуха и количеством исследуемого компонента в газовой смеси, позволяет получать информацию как о количественном расходе газовой смеси, так и о концентрации определяемых компонентов в реальном времени при вязкостном режиме течения с изменяемыми характеристиками газового потока.
3) Устройство работает с проходящим потоком выдыхаемого воздуха, а не с газовыми пробами, то есть установлено в магистрали выдоха дыхательной маски и не использует кювету для отбора проб.
4) Используются специально подобранные пары излучатель-приемник, за счет чего снижается погрешность при определении концентрации определяемого вещества, причем спектральные диапазоны для определения концентраций веществ подбираются с учетом недопущения их взаимного перекрытия, рассчитываемые для задаваемого сочетания определяемых компонентов.
5) Отсутствие отдельно устанавливаемых фокусирующих элементов исключает влияния расфокусировки в результате вибрации, боковых ускорений и прочих факторов механического воздействия.
6) Минимизированы массогабаритные характеристики: система на основе монохроматических пар является встраиваемой в магистраль выдоха дыхательной маски.
7) Используемые при реализации метода диодно-лазерной спектроскопии элементы для монохроматических пар не требуют криогенного охлаждения для поддержания особых рабочих условий.
8) Применение метода диодно-лазерной спектрометрии в предлагаемом газоанализаторе, в отличие от фотоионизационных и полупроводниковых датчиков, позволяет избежать накопления погрешности измерений с течением времени. Сенсоры такого типа не подвержены влиянию внешних воздействий и не имеют инерции, то есть могут снимать показания в течение дыхательного цикла многократно и в продолжении длительного времени.
ИЗОБРЕТЕНИЕ ПОЯСНЯЕТСЯ СХЕМАМИ:
Фиг. 1. Типы сегментированных элементов.
1а - кольцо с отражающей рабочей поверхностью; 1б - линейное устройство; 1в - призма n-гранная (1 - излучатель, 2 - приемник, 3 - светоотражающая поверхность, 4 - примерный ход луча, 5 - светопоглощающая поверхность).
Фиг. 2. Принципиальная схема работы сегментированного элемента.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И ПРИМЕНИМОСТЬ.
Газоанализатор работает следующим образом. Выдыхаемый пациентом воздух поступает в магистраль выдоха дыхательной маски. Далее, при прохождении воздуха по магистрали выдоха через встроенные сегментированные элементы, производится снятие и расшифровка характеристик химического состава выдыхаемого воздуха путем передачи сигнала с излучателя на приемник монохроматической пары и далее по информационной магистрали либо по каналу беспроводной связи на управляющий блок с элементами прямой и обратной связи и соединенный с блоком обработки информации, где происходит расшифровка и интерпретация полученного сигнала, после чего по линиям обратной связи отсылается сигнал, как пациенту, так и на органы внешнего контроля и управления, в том числе на управляющий блок и блок управления подачей компонентов дыхательной смеси.
Для предотвращения загрязнения отражающей поверхности сегментированных элементов продуктами жизнедеятельности в начале магистрали выдоха перед сегментированными элементами может быть установлен сменный мембранный фильтр.
Для того чтобы оценить объем выдыхаемого воздуха, в системе установлены не менее двух датчиков давления: один в системе подачи дыхательной смеси, а другой/другие - на магистрали выдоха за фильтром и перед/между сегментированными элементами, что позволяет получать информацию об объемах поступающего в маску и выдыхаемого воздуха, а также о концентрации определяемых компонентов в реальном времени вне зависимости от перепадов давлений в магистрали. Также устанавливается датчик влажности выдыхаемого воздуха.
Данное устройство может быть использовано как самостоятельно, так и совместно с системой контроля состояния и экстренной помощи длительного ношения.
В случае использования данного газоанализатора в медицинских учреждениях, а также при использовании в системах подготовки специалистов, работающих в условиях различных видов перегрузки, в том числе при подготовке альпинистов, аквалангистов, сотрудников МЧС, летного состава, обратная связь может быть представлена только в виде системы оповещения обслуживающего персонала. Решение об изменении состава дыхательной смеси либо дополнительного введения иных препаратов в таких случаях принимает обслуживающий персонал.
Изобретение может быть использовано в авиации, в том числе встроено в дыхательную маску летчика; медицине в качестве диагностического оборудования и медицине катастроф (в том числе в реанимационном оборудовании, установленном на транспортных средствах); в защитном оборудовании и экипировке сотрудников МЧС при ликвидации пожаров высокой степени опасности (когда есть опасность выброса вредных веществ) и техногенных катастроф; в экипировке аквалангистов и водолазов при проведении подводных работ с высокой физической нагрузкой и погружениях на большую глубину; в составе альпинистского кислородного оборудования.