СПИРОМЕТР

Полезная модель относится к медицине, а именно к области измерений для диагностических целей и может быть использована для исследования функции внешнего дыхания в норме и патологии, как для индивидуального пользования, так и в составе телемедицинских комплексов слежения за состоянием дыхательной системой больных хроническими бронхо-легочными заболеваниями.
Известен карманный медицинский спирометр [US 7383740 В2, МПК А61В 5/087, А61В 5/093, G01F 1/20, G01F 1/32, опубл. 10.06.2008], содержащий корпус с впускным и выпускным отверстиями для потока воздуха и измерительный блок для измерения скорости общего потока между впускным отверстием и выпускным отверстием, когда пользователь выдыхает через спирометр. Измерительный блок содержит генератор колебательного потока с частотой, зависящей от скорости потока через него и преобразователь для преобразования указанного колебательного параметра в электрический сигнал. Блок для измерения скорости общего потока расположен внутри корпуса с образованием обходного канала через генератор, так что общий поток делится на байпасный поток и поток измерения. Генератор имеет два канала обратной связи, каждый с отверстием давления. Оба отверстия соединены с датчиком давления в виде гибкой мембраны с установленным на ней пьезоэлектрическим элементом. Блок измерения скорости общего потока содержит второй генератор, определяющий вторую параллельную траекторию измерения напротив первого пути измерения потока, так что создается второй поток измерения, когда пользователь делает вдох через спирометр. Предусмотрены клапанные средства, так что первый путь измерения потока открыт только тогда, когда пользователь выдыхает, тогда как второй путь измерения потока открыт только тогда, когда пользователь делает вдох. Клапанные средства включают в себя один обратный клапан, связанный с первым измерительным каналом потока, и второй обратный клапан, связанный со вторым измерительным каналом потока. Оба генератора соединены с преобразователем. Блок измерения скорости общего потока содержит второй преобразователь для преобразования колебательного потока второго генератора во второй электрический сигнал, так что при выдохе первый генератор работает в прямом потоке, тогда как генератор работает в обратном потоке, и наоборот. Оба преобразователя связаны с электронным процессором.
Такой спирометр имеет сложную конструкцию и нуждается в периодической калибровке во время эксплуатации.
Известен ультразвуковой спирометр [ЕР 597060 В1, МПК А61В 5/087; А61В 5/091; G01F 1/66, опубл. 16.04.1997], содержащий корпус с измерительной трубкой внутри. Измерительная трубка изнутри выполнена с двумя отводами-ячейками, которые расположены с наклонным или перпендикулярным выравниванием к оси воздуховода. В одной ячейке размещен передатчик, а в другой - приемник ультразвукового сигнала. В измерительную трубку может быть вставлен с точной посадкой, легко заменяемый стерильный воздуховод. Стерильный воздуховод, вставленный в измерительную трубку, на переходе между ним и испытательным участком имеет испытательные окна, так что вставки вставляются в соответствующие отверстия, прозрачные для акустических волн, но непроницаемые для микроорганизмов и грязи. Вставки выполнены или из упругого полимера, или могут состоять из пластин из листов терефталата полиэтилена.
Такое техническое решение не обеспечивает необходимой точности измерений без периодической калибровки.
Известен дыхательный расходомер [US 4425805 А, МПК А61В 5/08; G01F 1/66; G01P 5/00, опубл. 17.01.1984], выбранный в качестве прототипа, содержащий: трубопровод, через который протекают выдох и вдох; пару углублений, образованных на внутренней стенке трубопровода вдоль линии, наклоненной относительно направления потока дыхательного газа; пару ультразвуковых преобразователей, размещенных в указанных углублениях, причем их ультразвуковые передающие и приемные поверхности противоположно обращены друг к другу вдоль указанной линии; средство одновременного переключения указанных ультразвуковых преобразователей между режимом возбуждения и режимом приема; средство цифрового счета для измерения любого из двух времен распространения, требуемых для ультразвуковой волны, излучаемой одним из упомянутой пары управляемых преобразователей для достижения другого преобразователя, и разности между упомянутыми двумя временами распространения; средство для определения направления потока упомянутого дыхательного газа; средство для генерации сигнала для запроса вычисления скорости потока дыхательного газа каждый раз, когда упомянутая пара преобразователей приводится в действие; средство для сохранения упомянутого направления потока, упомянутых двух времен распространения и упомянутой разности времени распространения в ответ на упомянутый сигнал запроса вычисления; и средство для расчета и сохранения скорости потока упомянутого дыхательного газа на основе упомянутых сохраненных значений. Для предотвращения конденсации на периферии трубопровода и вокруг ультразвуковых преобразователей размещен электрический нагреватель. Средство для вычисления и хранения скорости потока дыхательного газа включает в себя арифметический процессор. Недостатками этого устройства является:
малое отношение сигнал/шум импульсного метода измерения вследствие того, что необходимо детектировать появление импульса;
необходимость измерения угла сдвига фаз между сигналами с очень высокой абсолютной точностью, при этом максимальное дрожание фазы тактового сигнала не должно превышать 500 пс.
Как следствие, такие устройства дороги в производстве и требуют периодической калибровки для коррекции отклонений частоты генератора тактовых импульсов.
Технический результат предложенной полезной модели заключается в расширении арсенала средств для спирометрии.
Предложенный спирометр, также как в прототипе, содержит измерительную трубку с двумя отводами наружу, расположенными наклонно относительно направления дыхательного потока, в отводах расположены ультразвуковые преобразователи, блок расчета скорости потока воздуха.
В отличие от прототипа измерительная трубка расположена внутри корпуса. На входе измерительной трубки установлен мундштук. Внутри измерительная трубка разделена перегородкой, проходящей вдоль ее оси, с образованием двух равных каналов, причем каждый канал выполнен с двумя отводами в наружу, которые расположены противоположно и соосно друг другу. Все отводы выполнены под углом не более 30° к продольной оси измерительной трубки так, что отводы, расположенные в разных каналах параллельны друг другу попарно. В одном канале в отводе, расположенном со стороны выхода измерительной трубки, расположен первый излучатель ультразвукового сигнала, а в отводе, расположенном со стороны входа измерительной трубки, расположен первый приемник ультразвукового сигнала. Во втором канале в отводе, расположенном со стороны входа в измерительную трубку, расположен второй излучатель, а в отводе, расположенном со стороны выхода измерительной трубки, расположен второй приемник. Излучатели и приемники ультразвукового сигнала, расположенные рядом, в параллельных друг другу отводах, изолированы прокладками. Излучатели ультразвукового сигнала подключены к генератору. К первому приемнику последовательно подключены первый усилитель сигналов и первый аналого-цифровой преобразователей. Ко второму приемнику последовательно подключены второй усилитель сигналов и второй аналого-цифровой преобразователей. Первый и второй аналого-цифровые преобразователи подключены к блоку расчета, который соединен с радиопередатчиком. Первый и второй аналого-цифровые преобразователи, генератор, блок расчета и радиопередатчик подключены к источнику питания.
Предложенный спирометр позволяет измерять скорость потока воздуха, используя дифференциальную постоянно-волновую схему через помехоустойчивый метод разности фаз корреляционного типа. Каждая пара приемник-излучатель в измерительной трубке отделена друг от друга звукоизолирующей перегородкой, что исключает взаимное влияние измерительных каналов друг на друга.
Выбор расположения отводов в измерительной трубке под углом не более 30° к продольной оси измерительной трубки обусловлен тем, что при увеличении угла происходит уменьшение влияния скорости потока воздуха на скорость распространения звука в воздухе.
Такой спирометр не нуждается в периодической калибровке во время эксплуатации, так как измерения производят непрерывно и дифференциально в каждом канале.
На фиг 1 изображено поперечное сечение спирометра, основной вид.
На фиг. 2 показан изометрический вид спирометра (часть корпуса условно не показана).
На фиг. 3 - показана измерительная трубка с установленными излучателями и приемниками, где а) - общий вид, б) - вид сбоку, в) - разрез Б-Б, г) - разрез А-А.
На фиг. 4 - представлен продольный разрез измерительной трубки.
На фиг. 5 показаны звукоизолирующие прокладки.
На фиг. 6 показана электрическая схема спирометра.
Спирометр содержит выполненный заедино корпус 1 (фиг. 1) с измерительной трубкой 2 внутри. На входе измерительной трубки 2 установлен съемный мундштук 3. Внутри измерительная трубка 2 разделена перегородкой 4 (фиг. 2), проходящей вдоль ее оси, с образованием двух равных каналов 5 и 6 (фиг. 3г). Каждый канал 5 и 6 выполнен с двумя цилиндрическими отводами 7, 8 и 9, 10 (фиг. 3, в) наружу, которые расположены противоположно и соосно друг другу. Отводы 7, 8 и 9, 10 выполнены под углом а, который составляет не более 30° к продольной оси измерительной трубки 2 (фиг. 4) так, что отводы 7, 8 и 9, 10 расположенные в разных каналах 5 и 6, параллельны друг другу попарно.
В отводах 7, 8 одного канала 6 установлены соответственно первый излучатель 11 (И1) и первый приемник 12 (Ш) ультразвукового сигнала. В отводах 9, 10 другого канала 5 установлены соответственно второй излучатель 13 (И2) и второй приемник 14 (П2) ультразвукового сигнала. В параллельных друг другу отводах 7 и 9, 8 и 10 каналов 5, 6 расположенные рядом первый излучатель 11 (И1) и второй приемник 14 (П2), а также второй излучатель 13 (И2) и первый приемник 12 (П1) изолированы прокладками 15 и 16, например, из пеноплекса.
Первый 11 (И1) и второй 13 (И2) излучатели ультразвукового сигнала подключены к генератору 17 (ГЕН), вырабатывающему прямоугольные импульсы с частотой от 40 до 120 кГц.
К выходу первого приемника 12 (П1) ультразвукового сигнала (фиг. 6) последовательно подключены первый усилитель сигналов 18 (У1) и первый аналого-цифровой преобразователей 19 (АЦП1). К выходу второго приемника 14 (П2) ультразвукового сигнала последовательно подключены второй усилитель сигналов 20 (У2) и второй аналого-цифровой преобразователей 21 (АЦП2). Выходы первого 19 (АЦП1) и второго 21 (АЦП2) аналого-цифрового преобразователя подключены к блоку расчета 22 (БР) который соединен с радиопередатчиком 23 (РП). Первый 19 (АЦП1) и второй 21 (АЦП2) аналого-цифровой преобразователь, генератор 17 (ГЕН), блок расчета 22 (БР) и радиопередатчик 23 (РП) подключены к блоку управления 24 (БУ), который подключен к источнику питания 25 (ИП).
В качестве излучателей 11 (И1) и 13 (И2) и приемников ультразвуковых сигналов 12 (П1) и 14 (П2) нала могут быть использованы ультразвуковые излучатели и приемники производителя MURATA модели MA40S4S и MA40S4R. Усилители 18 (У1), 20 (У2), аналого-цифровые преобразователи 19 (АЦП 1), 21 (ФЦП 2), блок расчета 22 (БР), блок управления 24 (БУ) могут быть выполнены на микроконтроллере серии STM32F302CB. Радиопередатчик 23 (РП) может быть выполнен на микросхеме DA14583. Источник питания 25 (ИП) - химический источник питания, например, аккумулятор стандарта 18650.
Для управления устройством может быть предусмотрено наличие кнопки, подключенной к блоку управления 24 (БУ), а также наличие индикатора в виде светодиодов для отображения состояния устройства.
Устройство работает следующим образом:
К измерительной трубке 2 подсоединяют сменный одноразовый мундштук 3, обеспечивающий выполнения гигиенических требований к проведению спирометрии.
Во время выполнения дыхательных движений, поток воздуха движется по двум каналам 5 и 6 измерительной трубки 2, благодаря наличию звукоизолирующей перегородки 4, при этом скорость потока воздуха в обоих каналах одинакова, и зависит от площади поперечного сечения измерительной трубки 2 и разности давлений на ее входе и выходе.
При выполнении дыхательных движений воздух движется по измерительной трубке 2, при этом давление на открытом конце измерительной трубки равно атмосферному. Излучатели 11 (И1) и 13 (И2) ультразвуковых сигналов генерируют ультразвуковые колебания с частотой, определяемой генератором прямоугольных импульсов 17 (ГЕН). Разность фаз Δϕ между импульсами, подаваемыми на разные излучатели, настраивают в процессе заводской калибровки для обеспечения нулевой разности фаз на приемниках ультразвукового сигнала 12 (Ш) и 14 (П2). Ультразвуковой сигнал первого излучателя 11 (И1) распространяется под углом α, равным, например, 30° к продольной оси трубки 2. Время, за которое сигнал первого излучателя 11 (И1) достигает соответствующего приемника 12 (П2), определяется скоростью распространения звука в воздухе, расстоянием между излучателями 11 (И1), 13 (И2) и приемниками 12 (П1), 14 (П2), а также скоростью движения потока воздуха. За счет движения воздуха в трубке 2 возникает разница во времени распространения сигнала, возникает фазовый сдвиг на приемниках 12 (П1) и 14 (П2). Для измерения фазового сдвига сигнал с приемников 12 (П1) и 14 (П2) ультразвукового сигнала, усиливают соответствующими усилителями 18 (У1) и 20 (У2), а затем преобразуют в цифровую форму с помощью соответствующих аналого-цифровых преобразователей 19 (АЦП1) и 21 (АЦП2) и подают в блок расчета 22 (БР), где определяют сдвиг фазы по уравнению:
где Δϕ - сдвиг фазы;
s1(i) и s2(i) - отсчеты сигналов, полученных от первого 19 (АЦП1) и второго 21 (АЦП2) аналого-цифровых преобразователей.
Полученное значение сдвига фазы Δϕ используют для определения скорости потока воздуха из выражения:
где ϑ - скорость потока воздуха;
с - скорость ультразвуковой волны в воздухе;
L - расстояние между излучателем и приемником ультразвукового сигнала, расположенными в одном канале;
ƒ - частота ультразвуковой волны;
α - угол между продольной осью измерительной трубки и продольной осью отвода.
i
Вычисление значения скорости потока воздуха производят с постоянным интервалом времени, например в 10 мс, что в итоге дает массив значений скорости потока ϑ. в каждый момент времени i.
i
Данный массив ϑ используют для определения объема вдыхаемого и выдыхаемого пользователем воздуха по уравнению:
i
где ϑ - скорость потока воздуха в момент времени i;
s - суммарная площадь поперечного сечения каналов 5 и 6.
С помощью радиопередатчика 23 (РП) стандарта bluetooth low energy полученные значения передают во внешнюю ЭВМ.