ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ТРЕНАЖЕР
BREATHING TRAINER

Изобретение относится к области медицины, а именно к пульмонологии, и может быть использовано в программах комплексной терапии и профилактики бронхитов и легочных заболеваний, как взрослых, так и детей.
Современные стратегии лечения, профилактики и последующей восстановительной терапии бронхо-легочных заболеваний, таких как хроническая обструктивная болезнь легких, бронхиальная астма, хронический бронхит и др., предусматривают программы легочной реабилитации, которые включают в себя, в том числе, дозированные физические тренировки мышц верхнего плечевого пояса и дыхательной мускулатуры. Это объективно приводит к уменьшению выраженности клинических проявлений заболеваний, улучшению качества жизни больных, снижает потребность в специальной медицинской помощи, включая уменьшение частоты амбулаторных визитов, вызовов скорой помощи, уменьшение частоты обострений заболевания и связанных с ними госпитализаций. Кроме того, тренировки дыхательной мускулатуры способствуют уменьшению потребности в медикаментах, позволяют увеличить срок ремиссии хронических бронхо-легочных заболеваний, повысить степень контроля над заболеваниями.
Известен дыхательный тренажер с биологической обратной связью (RU 2345795, МПК А61М 16/00, опубл. 10.02.2009). Тренажер содержит маску для дыхания, дыхательный шланг и незамкнутый сосуд с отверстием для трубки, соединенные последовательно. Дыхательная маска выполнена в ротоносовом исполнении, а дыхательный шланг выполнен в виде гофрированной трубки. Сосуд выполнен в варианте четырехсекционной камеры, которая состоит из шлюзовой секции, первой и второй перепускных секций и накопительной секции, причем гофрированная трубка соединена со шлюзовой секцией, которая через обе перепускные секции соединена с накопительной секцией. Лечебный эффект достигается за счет увеличения количества углекислого газа во вдыхаемом воздухе. Последнее приводит к гиперкапнии, оказывающей определенное влияние на метаболические процессы, тонус сосудов, воздействие на дыхательный центр, но не улучшает параметры функции внешнего дыхания, такие как объем форсированного выдоха, форсированную жизненную емкость легких и др., имеющие ключевое значение в программах легочной реабилитации. Более того, при тяжелом течении хронических бронхо-легочных заболеваний часто наблюдается хроническая гипоксия, и использование подобных устройств у таких пациентов может быть просто противопоказано. Кроме того, данное устройство представляется достаточно сложным с конструктивной точки зрения и громоздким, т.к. предполагается установка сразу двух пневмотахометров, один из которых контролирует параметры вдоха, другой параметры выдоха, а также накопительной секции, объем которой доходит до 2000 мл.
Известен дыхательный тренажер (RU 2245170, МПК А61М 16/00, опубл. 27.01.2005), состоящий из мундштука-воздуховода, корпуса с крышкой, шарика и седла с центральным отверстием, образующих обратный клапан. Обратный клапан выполнен с возможностью закрытия на выдохе, его седло выполнено внутри корпуса в форме конического углубления в нем и центрального отверстия, в корпусе дополнительно выполнены перепускные каналы, под шариком установлена перфорированная мембрана для ограничения хода шарика. Перепускные каналы выполнены с возможностью регулирования их площади на выдохе или на вдохе или одновременно на вдохе и выдохе и содержат средство регулирования площади перепускных каналов. Средство регулирования площади перепускных каналов выполнено в виде совмещенных радиальных отверстий в корпусе и кольце и/или крышке, а крышка и/или кольцо выполнены с возможностью ограниченного поворота относительно корпуса. Перфорированная мембрана выполнена с возможностью поджатия шарика к седлу.
Основным недостатком данного тренажера является отсутствие возможности подключения к электронному вычислительному устройству такому как персональный, планетный компьютер, или смартфон и полное отсутствие биологической обратной связи. Как следствие - отсутствие контроля над выполнением упражнений. Данный тренажер также создан для увеличения концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе в процессе тренировки и не решает задачи тренировки дыхательной мускулатуры.
Известен устройство для обучения оздоровительному дыханию (RU 139260, МПК А61М 16/00, опубл. 10.04.14), включающий корпус, загубник, регулируемое отверстие для прохождения воздуха. Причем регулируемое отверстие для прохождения воздуха, снабженное задвижкой и шкалой выдыхаемого воздуха, выполнено на корпусе, содержит расположенный в корпусе датчик давления с закрепленным на нем кулачком, подпружиненным пружиной, с возможностью воздействовать им на нормально разомкнутые контакты пуска для их замыкания, при котором через блок соединения устройства включается видеопроигрыватель.
Из недостатков данного устройства можно отметить то, что в качестве средств анализа потока выдыхаемого воздуха используется датчик давления с возможностью замыкания контактов с разрешающей способностью всего в 2 значения, что не дает полную информацию о процессе дыхания. В конструкции данного тренажера отсутствует возможность анализа характеристик потока вдыхаемого воздуха, что не позволяет тренировать инспираторные мышцы.
Нами решалась задача создания тренажера инспираторной и экспираторной дыхательной мускулатуры под контролем биологической обратной связи. Устройство должно позволять отслеживать уровень предполагаемой тренировочной нагрузки и степень ее достижения в реальном времени в процессе тренировочной сессии. Кроме того, должна иметься возможность расширения показаний для тренировок, включая среднетяжелое и тяжелое течение бронхо-легочных заболеваний за счет индивидуальных уровней тренировочных нагрузок без использования опасного эффекта гиперкапнии и гипоксии. Практически все разработанные виды спирографов разработаны для изучения функции дыхания взрослого человека и малопригодны, либо вообще не пригодны для детей в возрасте от двух до пяти лет.
Наиболее близким по конструкции и назначению является дыхательный тренажер по патенту RU 171354 (МПК А61М 16/00, опубл. 29.05.2017), взятый за прототип, который содержит корпус с двумя отверстиями для вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, снабженный мундштуком со стороны первого из отверстий, в котором выделены блок электроники, перекрытый крышкой блока, и цилиндрическая камера, сообщенная с блоком электроники посредством канала проводки и перекрытая крышкой камеры. Оба отверстия выполнены в боковой стенке цилиндрической камеры. На оси цилиндрической камеры во втулке расположен пневмотахометр, снабженный крыльчаткой. Крыльчатка выполнена с возможностью вращения при обратно-поступательном движении воздуха через мундштук и второе отверстие. Выступы предназначены для фиксации саморезами крышки отсека электроники прибора. Установленный в камере пневмотахометр и терморезистивный датчик через канал проводки подключены к блоку операционных усилителей, связанному с микроконтроллером, к которому подключен USB интерфейс передачи данных во внешнее вычислительное устройство.
Недостатком данного устройства является наличие пневмотахометра, который имеет большой начальный момент трогания, что исключает его использования для детей младшего возраста. Наличие USB-кабеля, который «привязывает» пациента к внешнему микроконтроллеру сбора данных, ограничивает мобильность устройства. А неразборный корпус с блоком электроники исключает возможность стерилизации.
Целью настоящего изобретение было устранение недостатков прототипа.
Технический результат заключается в разработке мобильного устройства для развития инспираторных и экспираторных мышц, обладающего высокой чувствительностью и пригодного для использования детьми.
Технический результат достигается тем, что дыхательный тренажер, включающий корпус с двумя отверстиями для вдыхаемого-выдыхаемого воздуха, снабженный мундштуком со стороны входного отверстия, выделенные в корпусе блок электроники, перекрытый крышкой блока, и цилиндрическую камеру, сообщенную с блоком электроники посредством канала проводки и перекрытую крышкой камеры, при этом оба отверстия выполнены в боковой стенке цилиндрической камеры, установленные в корпусе датчики, через канал проводки подключенные к блоку электроники, связанному с микроконтроллером, к которому подключен интерфейс передачи данных во внешнее вычислительное устройство, согласно изобретению, на оси цилиндрической камеры расположена легкая крыльчатка, выполненная с возможностью вращения при обратно-поступательном движении воздуха через мундштук и выходное отверстие, крышка цилиндрической камеры фиксируется подвижной закрывающей скобой на корпусе устройства, в цилиндрической камере установлен фотодатчик, а на входе и выходе из устройства и в блоке электроники - терморезистивные датчики, через канал проводки подключенные к блоку электроники, интерфейсом передачи данных во внешнее устройство является blue tooth.
На фиг. 1 изображено устройство тренажера в разобранном виде.
На фиг. 2 отмечено возможное положение терморезистивных датчиков и оптопары в корпусе тренажера.
Заявленный тренажер (фиг. 1, 2) предназначен для развития инспираторных и экспираторных мышц, отвечающих за вдох и выдох, в том числе, и у детей дошкольного возраста. Причем развитию мышц, отвечающих за вдох уделяется особое внимание, так как практика реабилитации показала, что именно инспираторные мышцы наиболее важны, так как сильнее страдают от бронхолегочных патологий. Изобретение предназначено, прежде всего, для применения в детских лечебных и профилактических медицинских центрах, специализирующихся на проблемах легочных паталогий. В условиях диспансеризации за короткое время могут быть получены данные о состоянии дыхательной системы для большого числа пациентов. Совместная обработка данных с применением нейросетевых алгоритмов позволит классифицировать результат по диагностической базе данных. Применяя заявленное изобретение, можно существенно увеличить информативность регистрируемых особенностей дыхания у конкретного пациента, упростить конструкцию, увеличить скорость достижения конечного результата. В отличие от известного конструктивного решения, заявленное изобретение позволяет оперативно фиксировать входные данные без «привязи» детей к компьютеру, даже во время игры.
Разработанный тренажер (фиг. 1) содержит корпус 1 с двумя отверстиями для вдыхаемого-выдыхаемого воздуха, снабженный мундштуком 2 со стороны входного отверстия. В тренажере выделены блок электроники 3, перекрытый крышкой блока 4, и цилиндрическая камера 5 крыльчатки 6, сообщенная с блоком электроники 3 посредством канала проводки и перекрытая крышкой камеры 7. На оси цилиндрической камеры расположена крыльчатка 6, выполненная в виде цилиндра с 3-12 лопастями с возможностью вращения при обратно-поступательном движении воздуха через мундштук и выходное отверстие корпуса. Крыльчатка 6 имеет выступающий опорный конус с одной стороны и коническое углубление с другой и устанавливается на соответствующее коническое углубление на дне цилиндрической камеры и выступающий конус на крышке камеры 5. Подобная конструкция конусов 8 и конических углублений 9 служит в качестве самоцентрирующегося приспособления с одной стороны и выполняет роль подшипников скольжения с другой. Крыльчатка 6 является съемной, что обеспечивает простую замену расходного материала. Для этого на внешней стороне крышки 7 цилиндрической камеры 5 сделано углубление в виде желоба 10, в который направляющим выступом 11 вводится закрывающая скоба 12, фиксирующая устройство в собранном состоянии. Кроме того, подвижная закрывающая скоба 12 обеспечивает частичное регулируемое перекрытие выходного отверстия корпуса, что обеспечивает дополнительную регулировку режимов тренировки мускулатуры за счет изменения площади поперечного сечения потока.
Входное и выходное отверстия расположены в боковой стенке цилиндрической камеры 5 относительно друг друга таким образом, что обеспечивается одностороннее вращение крыльчатки 6 при дыхании пациента через мундштук.
В корпусе установлены три терморезистивных датчика 13 (на входном и выходном отверстиях и внутри блока электроники) и фотодатчик 14 (на внутренней поверхности цилиндрической камеры 5), по скорости вращения крыльчатки позволяющий вычислять объемы вдоха и выдоха. Термодатчики позволяют измерить температуру вдыхаемого, выдыхаемого воздуха и сравнить с температурой третьего датчика, температура на котором остается неизменной (при выдохе значения измеряемой температуры на терморезистивном датчике растут, при вдохе падают), что обеспечивает высокую чувствительность и точность при корректировке вычислителем истинной температуры выдоха. Все датчики через канал проводки подключены к блоку электроники, а именно к микроконтроллеру через операционные усилители. Канал проводки расположен между блоком электроники и цилиндрической камерой в ее стенке и выполнен герметично. Блок электроники содержит микроконтроллер, операционные усилители, аккумулятор и blue tooth интерфейс.
При изготовлении корпуса с применением аддитивных технологий полость внутри мундштука целесообразно выполнить в виде параллельных полостей с поперечным профилем решетки (сот), повторяемым на выходном отверстии. Такая конструкция обеспечит ламинарное течение воздушного потока при дыхании, что увеличит точность считываемой информации, а также защитит дыхательные пути пациента в случае разрушения крыльчатки.
Питание тренажера может быть осуществлено от Li-ion аккумулятора, а устройство зарядки встроенного аккумулятора от USB интерфейса, расположенного в блоке электроники.
Разборный корпус обеспечивает возможность простой стерилизации устройства. Использование легкой крыльчатки расширяет область применения тренажера на детей младшего возраста, которым небольшой объем легких не позволил бы пользоваться тренажером с пневмотахометром. Использование blue tooth интерфейса делает устройство беспроводным, следовательно, мобильным, что также удобно при проведении терапии у детей.
В качестве терморезистивных датчиков могут быть использованы, например, термисторы EWTF05-223H3R-N производства E-way technology, подключенные к блоку электроники (операционные усилители).
Определение вдоха или выдоха и скорости воздушного потока и объема осуществляется вычислителем микропроцессора за счет изменений температуры на терморезистивном датчике и количества оборотов крыльчатки, посчитанные фотодатчиком.
В качестве фотодатчика можно использовать оптоэлектронную пару (светодиод-фототранзистор 14 а-b (фиг.2)) подходящей конструкции и габаритов, например, TCRT5000 производства фирмы Vishay
Тренажер работает следующим образом.
Пациент подносит тренажер ко рту и плотно прижимает мундштук 2 к губам, после чего производит последовательно повторяющиеся маневры вдох-выдох. Данные о скорости и температуре воздушного потока попадают из датчиков 13 (I и II) в блок электроники на операционные усилители и далее в микроконтроллер, для передачи через blue tooth интерфейс в компьютер, где происходит их визуализация в виде графиков или элементов компьютерной игры. Сила и скорость потоков вдыхаемого и выдыхаемого воздуха контролируется визуально по достижению индивидуального предполагаемого максимально возможного их уровня для данной тренировочной сессии. Математическое обеспечение тренажера поддерживает совместную обработку данных с применением нейросетевых алгоритмов и позволяет классифицировать результаты измерений по диагностической базе данных.