RU2773603C1 - Method for reducing turbulence and subsequent analysis of dynamic gas media, as well as a device for its implementation, embedded in a breathing mask - Google Patents
Method for reducing turbulence and subsequent analysis of dynamic gas media, as well as a device for its implementation, embedded in a breathing mask Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773603C1 RU2773603C1 RU2021117314A RU2021117314A RU2773603C1 RU 2773603 C1 RU2773603 C1 RU 2773603C1 RU 2021117314 A RU2021117314 A RU 2021117314A RU 2021117314 A RU2021117314 A RU 2021117314A RU 2773603 C1 RU2773603 C1 RU 2773603C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- perforated
- emitter
- exhaled air
- receiver
- Prior art date
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 title abstract description 12
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 90
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000000241 respiratory Effects 0.000 claims description 12
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 5
- 238000011109 contamination Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000903 blocking Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000001809 detectable Effects 0.000 abstract 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 4
- 210000003660 Reticulum Anatomy 0.000 description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 3
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000090 biomarker Substances 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002493 climbing Effects 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000001285 laser absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 230000035812 respiration Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к системам контроля динамических газовых сред и устройствам неинвазивного контроля состояния объекта (пациента), находящегося под воздействием физических, психологических, стрессовых нагрузок, по составу выдыхаемого им воздуха, как при использовании объектом (пациентом) различных дыхательных смесей, так и без такового; оценки функционального состояния биологических систем объекта (пациента) в течение длительного времени; диагностики, в том числе и при определении степени тяжести состояния для сортировки пострадавших в результате чрезвычайных ситуаций; контроля состояния членов экипажей автономных изолированных систем и пилотируемых аппаратов.The invention relates to systems for monitoring dynamic gaseous media and devices for non-invasive monitoring of the state of an object (patient) under the influence of physical, psychological, stressful loads, according to the composition of the air exhaled by him, both when the object (patient) uses various respiratory mixtures, and without it; assessment of the functional state of the biological systems of the object (patient) for a long time; diagnostics, including when determining the severity of the condition for sorting victims as a result of emergencies; monitoring the status of crew members of autonomous isolated systems and manned vehicles.
ПРОТОТИПЫ (ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ)PROTOTYPES (PRIOR ART)
Известен патент RU 2625258 «Способ и устройство для динамического газоанализа, встраиваемое в магистраль выдоха дыхательной маски». Изобретение позволяет анализировать проточные нестационарные газовые смеси в течение длительного времени его использования. Однако оно не учитывает неизбежную турбулизацию и, как следствие, изменение концентрации водяных паров и исследуемых веществ на единицу объема потока выдыхаемого воздуха в течение дыхательного цикла, а также возникновение ошибок измерения в результате такого рода искажений характеристик потока.Known patent RU 2625258 "Method and device for dynamic gas analysis, built into the exhalation line of the breathing mask". The invention makes it possible to analyze flowing non-stationary gas mixtures for a long time of its use. However, it does not take into account the inevitable turbulence and, as a consequence, the change in the concentration of water vapor and test substances per unit volume of the exhaled air flow during the respiratory cycle, as well as the occurrence of measurement errors as a result of such distortions in the flow characteristics.
Предлагаемое изобретение отличается от изобретения, изложенного в патенте RU 2625258, тем, что возможна комплектация газоанализатора системой для регулировки аэродинамических характеристик потока в виде перфорированных подвижных и неподвижных заслонок.The proposed invention differs from the invention described in patent RU 2625258 in that it is possible to complete the gas analyzer with a system for adjusting the aerodynamic characteristics of the flow in the form of perforated movable and fixed dampers.
Известен патент WO 2015/143384 Al. Предлагаемое изобретение позволяет оценивать и регулировать выдыхаемые потоки воздуха для дальнейшего анализа газовой смеси. Однако указанная в патенте система предназначена только лишь для систем газоанализа, реализующих отбор проб. При этом описанное изобретение не способно реализовывать непрерывный анализ динамически изменяющихся и нестационарных газовых потоков.Known patent WO 2015/143384 Al. The present invention makes it possible to evaluate and regulate exhaled air flows for further analysis of the gas mixture. However, the system specified in the patent is intended only for gas analysis systems that implement sampling. At the same time, the described invention is not capable of realizing a continuous analysis of dynamically changing and non-stationary gas flows.
В отличие от изобретения, указанного в патенте WO 2015/143384 Al, целью предлагаемого изобретения является не только регулировка воздушного потока, но и непрерывные определение и интерпретация изменения состава выдыхаемой газовой смеси в реальном времени в течение длительного периода непосредственно в магистрали выдоха дыхательной маски (воздушной магистрали). Поставленная цель достигается за счет реализации принципов анализа динамических газовых сред (динамического газоанализа) при определении количественного и качественного состава проходящей газовой смеси путем непрерывного анализа спектров поглощения определяемых газов с помощью оптических ячеек на основе подобранных пар излучатель-приемник, дополнительно укомплектованных комплексом датчиков давления и влажности, а также другими газодинамическими устройствами по типу перфорированных заслонок.In contrast to the invention indicated in the patent WO 2015/143384 Al, the aim of the present invention is not only to regulate the air flow, but also to continuously determine and interpret changes in the composition of the exhaled gas mixture in real time over a long period directly in the exhalation line of the breathing mask (air highways). This goal is achieved through the implementation of the principles of analysis of dynamic gaseous media (dynamic gas analysis) in determining the quantitative and qualitative composition of the passing gas mixture by continuous analysis of the absorption spectra of the determined gases using optical cells based on matched emitter-receiver pairs, additionally equipped with a set of pressure and humidity sensors , as well as other gas-dynamic devices such as perforated dampers.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
Предлагается способ анализа динамических газовых сред для неинвазивного контроля состояния объекта (пациента), осуществляемый методом лазерной абсорбционной спектроскопии, основанный на непрерывном анализе проходящего потока выдыхаемого воздуха по всей площади поперечного сечения воздушной магистрали без отбора проб с помощью оптической ячейки. Оптическая ячейка состоит из светоотражающих поверхностей и компактных монохроматических пар излучатель-приемник. В свою очередь, единичные оптические ячейки, имеющие заранее рассчитанные формы и размеры, могут объединяться в набор оптических ячеек. Оптическая ячейка либо набор оптических ячеек дополняется встроенным в воздушную магистраль комплексом датчиков давления и влажности для непрерывного контроля газодинамических характеристик воздушного потока. Перед поступлением в зону измерений, представляющую собой оптическую ячейку либо набор оптических ячеек, поток выдыхаемого воздуха детурбулизируется при помощи перфорированной заслонки, которая перекрывает поток выдыхаемого воздуха и имеет набор отверстий, распложенных таким образом, чтобы струи газа при выходе из отверстий проходили перпендикулярно лазерным лучам.A method is proposed for analyzing dynamic gaseous media for non-invasive monitoring of the state of an object (patient), carried out by the method of laser absorption spectroscopy, based on continuous analysis of the passing flow of exhaled air over the entire cross-sectional area of the air line without sampling using an optical cell. The optical cell consists of reflective surfaces and compact monochromatic emitter-receiver pairs. In turn, single optical cells having pre-calculated shapes and sizes can be combined into a set of optical cells. An optical cell or a set of optical cells is complemented by a complex of pressure and humidity sensors built into the air line for continuous monitoring of the gas-dynamic characteristics of the air flow. Before entering the measurement zone, which is an optical cell or a set of optical cells, the exhaled air flow is deturbulized using a perforated damper that blocks the exhaled air flow and has a set of holes located in such a way that the gas jets exiting the holes pass perpendicular to the laser beams.
Основа устройства анализа динамических газовых сред представляет собой оптическую ячейку, состоящую из пары излучатель-приемник и каркасного элемента со светоотражающей поверхностью. Компактная монохроматическая пара излучатель-приемник представляет собой излучатель на базе лазера и приемник излучения, вмонтированные в заранее просчитанный профилированный жесткий тонкостенный каркасный элемент, имеющий внутри зеркальные рабочие поверхности с высоким коэффициентом отражения (от 0.95 и выше) в той части спектра электромагнитного излучения, которая соответствует рабочему спектру пары излучатель-приемник для обеспечения многократного отражения лазерного луча. Оптические ячейки могут иметь форму как простых геометрических фигур, так и произвольную сложную форму. Их размер и форма зависят от технического задания, габаритов и относительного расположения встраиваемых излучателей и приемников, а также геометрии воздушной магистрали.The basis of the device for analyzing dynamic gaseous media is an optical cell consisting of a pair of emitter-receiver and a frame element with a reflective surface. A compact monochromatic pair of emitter-receiver is a laser-based emitter and a radiation receiver mounted in a pre-calculated profiled rigid thin-walled frame element, which has mirrored working surfaces inside with a high reflection coefficient (from 0.95 and higher) in that part of the electromagnetic radiation spectrum that corresponds to operating spectrum of the emitter-receiver pair to ensure multiple reflection of the laser beam. Optical cells can have the form of both simple geometric shapes and arbitrary complex shapes. Their size and shape depend on the technical specifications, dimensions and relative location of the built-in emitters and receivers, as well as the geometry of the air line.
Подбор монохроматических пар излучатель-приемник для оптических ячеек производится в зависимости от списка определяемых газов, выбранных в соответствии с поставленной для каждого конкретного случая задачей. Принципы абсорбционной лазерной спектроскопии могут быть реализованы как единичной парой излучатель-приемник, так и последовательно установленными в одну ячейку парами.The selection of monochromatic emitter-receiver pairs for optical cells is made depending on the list of determined gases, selected in accordance with the task set for each specific case. The principles of absorption laser spectroscopy can be implemented both by a single emitter-receiver pair and by pairs installed in series in one cell.
Внутреннее устройство и геометрия оптической ячейки, а также взаимное расположение излучателя и приемника рассчитывается для каждого из определяемых компонентов газовой смеси таким образом, чтобы обеспечить лучу достаточную длину пробега и максимально возможное перекрытие поперечного сечения воздушного потока при фиксированном числе отражений, а также минимальную турбулизацию потока для получения достоверного результата измерения концентрации выбранных компонентов на основании известных законов абсорбционной спектроскопии. Измерения концентраций различных компонентов газовой смеси проводятся в заранее просчитанных неперекрывающихся спектральных диапазонах для различных пар излучатель-приемник.The internal structure and geometry of the optical cell, as well as the relative position of the emitter and receiver, are calculated for each of the determined components of the gas mixture in such a way as to provide the beam with a sufficient path length and the maximum possible overlap of the air flow cross section with a fixed number of reflections, as well as minimal flow turbulence for obtaining a reliable result of measuring the concentration of selected components based on the known laws of absorption spectroscopy. Measurements of the concentrations of various components of the gas mixture are carried out in pre-calculated non-overlapping spectral ranges for various emitter-receiver pairs.
Рассматривая прохождение выдыхаемого воздуха, представляющего собой газовую смесь переменного состава и характера течения, в системе дыхательная маска - магистраль выдоха и соотнося его с дыхательным циклом человека (например, по версии Бутейко К.П.), можно выделить следующие этапы:Considering the passage of exhaled air, which is a gas mixture of variable composition and nature of the flow, in the breathing mask - exhalation line system and correlating it with the human respiratory cycle (for example, according to Buteyko K.P.), the following stages can be distinguished:
1. Разрежения, когда человек вдыхает дыхательную смесь и частично захватывает воздух из маски.1. Vacuum, when a person inhales the respiratory mixture and partially captures air from the mask.
2. Стабилизация при вдохе.2. Stabilization when inhaling.
3. Выдох и прохождение выдыхаемой (с примесью биомаркеров) воздушной смеси в магистраль выдоха, сопровождающиеся повышением давления в подмасочном пространстве.3. Exhalation and passage of the exhaled (with an admixture of biomarkers) air mixture into the expiratory line, accompanied by an increase in pressure in the undermask space.
4. Пауза между выдохом и вдохом, при которой воздух по инерции продолжает постепенно выходить в магистраль выдоха маски до стабилизации давления в подмасочном пространстве и его выравнивания с внешним давлением.4. A pause between exhalation and inhalation, during which the air by inertia continues to gradually exit into the exhalation line of the mask until the pressure in the undermask space stabilizes and equalizes with the external pressure.
Такая цикличность дыхания неизбежно ведет к турбулизации выдыхаемого воздушного потока, что может отражаться на количестве детектируемых химических элементов в течение времени и, соответственно, может влиять на качество получаемых результатов работы измерительного устройства.Such a respiration cycle inevitably leads to turbulence of the exhaled air flow, which can affect the amount of detected chemical elements over time and, accordingly, can affect the quality of the results of the measuring device operation.
Также выдыхаемый воздух имеет высокую относительную влажность (близкую к 100%), что повышает коэффициент рассеяния лазерного излучения. При этом пары воды могут занимать несколько процентов от всей массы выдыхаемого воздуха. Кроме того, находясь в магистрали выдоха, воздух подвержен пульсациям давления в соответствии с дыхательным циклом, что неизбежно ведет к его турбулизации, степень и цикличность которой в общем виде заранее рассчитать невозможно.Also, the exhaled air has a high relative humidity (close to 100%), which increases the scattering coefficient of laser radiation. In this case, water vapor can occupy several percent of the total mass of exhaled air. In addition, being in the expiratory line, the air is subject to pressure pulsations in accordance with the respiratory cycle, which inevitably leads to its turbulence, the degree and cyclicity of which in general cannot be calculated in advance.
При определении количественного состава выдыхаемого воздуха методом абсорбционной лазерной спектроскопии учитываем, что на прохождение самого лазерного луча не влияет степень турбулизации газовой смеси. Однако изменение влажности влияет на коэффициент рассеяния лазерного луча: повышается влажность - увеличивается коэффициент рассеяния за счет того, что в более влажном воздухе значительно большее количество микрокапель воды, каждая из которых является микролинзой и, соответственно, способствует рассеянию луча [Дацюк В.В., Измайлов И.А. Оптика микрокапель // УФН. - 2001. - Т. 171, №10. - С. 1117-1129].When determining the quantitative composition of exhaled air by absorption laser spectroscopy, we take into account that the passage of the laser beam itself is not affected by the degree of turbulence of the gas mixture. However, a change in humidity affects the scattering coefficient of the laser beam: humidity increases - the scattering coefficient increases due to the fact that in more humid air there are a significantly larger number of water microdroplets, each of which is a microlens and, accordingly, contributes to beam scattering [Datsyuk V.V., Izmailov I.A. Optics of microdroplets // UFN. - 2001. - T. 171, No. 10. - S. 1117-1129].
Таким образом, при пульсации давления в потоке выдыхаемого воздуха будет возникать и накапливаться ошибка измерения, обусловленная изменением характеристик исследуемой среды за счет динамического изменения количества микрокапель воды в зонах высокого и низкого давления, возникающих при турбулизации воздуха в магистрали выдоха в течение дыхательного цикла. Учитывая малые концентрации (порядка ppb и ppm) большинства значимых для медицины детектируемых в выдыхаемом воздухе химических соединений, такие ошибки могут оказать существенное влияние на качество и точность проводимых измерений. Фиксация и контроль такого рода локальных биений влажности и плотности микрокапель для ввода поправочных коэффициентов затруднительна даже при помощи комбинации датчиков влажности и оптических ячеек, настроенных на линии поглощения паров воды.Thus, with pressure pulsation in the exhaled air flow, a measurement error will occur and accumulate due to a change in the characteristics of the medium under study due to a dynamic change in the number of water microdroplets in the high and low pressure zones that occur during air turbulence in the expiratory line during the respiratory cycle. Considering the low concentrations (of the order of ppb and ppm) of the majority of chemical compounds detected in exhaled air that are significant for medicine, such errors can have a significant impact on the quality and accuracy of measurements. It is difficult to fix and control such local beats of humidity and density of microdroplets for introducing correction factors even with a combination of humidity sensors and optical cells tuned to the water vapor absorption line.
Отсюда возникает необходимость контролировать и регулировать воздушный поток вблизи измерительного устройства (т.е. вблизи оптических ячеек). Одним из эффективных и наиболее простых решений, обеспечивающих необходимую точность измерений при непрерывном определении концентраций компонентов выдыхаемого воздуха, будет принудительная детурбулизация проходящего воздушного потока.Hence, it becomes necessary to control and regulate the air flow in the vicinity of the measuring device (ie, in the vicinity of the optical cells). One of the most effective and simplest solutions that provide the necessary measurement accuracy for continuous determination of the concentrations of exhaled air components will be forced deturbulization of the passing air flow.
В аэродинамике известен способ гашения турбулентных возмущений в канале аэродинамической трубы путем установки решетчатой конструкции - хонейкомба. При высокой степени турбулизации потока в аэродинамической трубе за хонейкомбом и до испытуемой модели могут быть дополнительно установлены детурбулизирующие сетки с различной шириной ячеек. Применение детурбулизирующей сетки способствует разрушению вихрей с их последующим вырождением [Репик Е.У., Соседко Ю.П. Разработка детурбулизирующих сеток с малым гидравлическим сопротивлением для аэродинамических труб // Ученые записки ЦАГИ. - 2011. - Том 42, №3. - С. 84-91]. Однако стоит отметить, что в аэродинамическом эксперименте эти методы используются в основном для высокоскоростных потоков. При этом в аэродинамических установках разогнанный поток имеет постоянную скорость течения и плотность, а вихревые течения возникают либо при прохождении устройств рабочего контура аэродинамической трубы, либо при изменении режима работы установки, либо при обтекании исследуемой модели, что может быть просчитано по известным в аэродинамике методикам.In aerodynamics, a method is known for damping turbulent disturbances in the wind tunnel channel by installing a lattice structure - a honeycomb. With a high degree of flow turbulence in the wind tunnel behind the honeycomb and before the test model, deturbulizing grids with different cell widths can be additionally installed. The use of a deturbulent grid contributes to the destruction of vortices with their subsequent degeneration [Repik E.U., Sosedko Yu.P. Development of deturbulent grids with low hydraulic resistance for wind tunnels // Uchenye zapiski TsAGI. - 2011. - Volume 42, No. 3. - S. 84-91]. However, it should be noted that in the aerodynamic experiment these methods are mainly used for high-speed flows. At the same time, in aerodynamic installations, the accelerated flow has a constant flow velocity and density, and vortex flows arise either when passing through the devices of the working circuit of the wind tunnel, or when the operating mode of the installation changes, or when flowing around the model under study, which can be calculated using methods known in aerodynamics.
Выдыхаемый человеком поток воздуха является нестационарным за счет того, что объем выдыхаемого воздуха и скорость выдоха могут произвольно меняться в течение достаточно короткого времени. Как следствие, он в достаточной степени турбулизирован. При этом объем потока выдыхаемого воздуха, его скорость и разность давлений крайне низки по сравнению с аналогичными характеристиками в аэродинамических трубах. Поскольку диаметр магистрали выдоха дыхательной маски имеет небольшой размер канала при низкой скорости потока, можем воспользоваться применяемыми в аэродинамике критериями подобия и, соответственно, известными методами детурбулизации. Однако использование только лишь традиционных для классической аэродинамики разделительных сеток и хонейкомба представляется малоэффективным для достижения требуемого эффекта детурбулизации потока выдыхаемого воздуха. В свою очередь, использование сеток с малым размером ячейки, эффективным для детурбулизации потока с небольшим избыточным давлением, из-за низкой скорости потока выдыхаемого воздуха может существенно повышать аэродинамическое сопротивление и создавать запирающий эффект.The air flow exhaled by a person is non-stationary due to the fact that the volume of exhaled air and the exhalation rate can change arbitrarily within a fairly short time. As a consequence, it is sufficiently turbulent. At the same time, the volume of the flow of exhaled air, its speed and pressure difference are extremely low compared to similar characteristics in wind tunnels. Since the diameter of the exhalation line of the breathing mask has a small channel size at a low flow rate, we can use the similarity criteria used in aerodynamics and, accordingly, the known methods of deturbulence. However, the use of only dividing nets and honeycomb traditional for classical aerodynamics seems to be ineffective in achieving the required effect of deturbulization of the exhaled air flow. In turn, the use of meshes with a small cell size, effective for deturbulizing a flow with a small overpressure, due to the low flow rate of exhaled air, can significantly increase the aerodynamic drag and create a blocking effect.
Отсюда возникает необходимость применения в магистрали выдоха дополнительных устройств, подобных тем, которые также применяются в аэродинамических трубах для гашения вихрей. Таким устройством является специальная перфорированная заслонка, позволяющая сохранить эффект спрямления (детурбулизации) потока при низких скорости и давлении без его полного перекрытия и существенного аэродинамического сопротивления. Набор отверстий перфорированной заслонки распложен таким образом, чтобы струи газа при выходе из них детурбулизировано проходили перпендикулярно лазерным лучам, идущим в оптических ячейках от излучателя к приемнику.Hence, it becomes necessary to use additional devices in the exhalation line, similar to those that are also used in wind tunnels to damp vortices. Such a device is a special perforated damper, which makes it possible to maintain the effect of straightening (deturbulization) of the flow at low speeds and pressures without its complete blocking and significant aerodynamic resistance. The set of apertures of the perforated damper is located in such a way that the gas jets, when exiting them, pass in a deturbulent manner perpendicular to the laser beams traveling in the optical cells from the emitter to the receiver.
Для регулировки аэродинамических характеристик потока выдыхаемого воздуха перфорированная заслонка может быть снабжена механизмом поворота, действующим по принципу дросселя. Поворот заслонки происходит таким образом, чтобы не перекрывать оптический путь лазерного луча от излучателя к приемнику. Заслонка также может обладать широким углом поворота (до 90°), чтобы при необходимости поворачиваться, в т.ч. параллельно направлению движения потока, и, таким образом, иметь возможность нивелировать ее влияние на характеристики воздушного потока.To adjust the aerodynamic characteristics of the flow of exhaled air, the perforated flap can be equipped with a swivel mechanism that operates on the principle of a throttle. The shutter is rotated in such a way as not to block the optical path of the laser beam from the emitter to the receiver. The damper can also have a wide swing angle (up to 90°) so that it can be rotated if necessary, incl. parallel to the direction of flow, and thus be able to neutralize its influence on the characteristics of the air flow.
При этом помимо общей перфорированной заслонки, устанавливаемой перед набором оптических ячеек, можно установить уникальную перфорированную дроссельную заслонку перед каждой оптической ячейкой из набора ячеек. Расположение заслонок должно обеспечивать беспрепятственную работу друг друга.In this case, in addition to a common perforated damper installed in front of a set of optical cells, it is possible to install a unique perforated throttle damper in front of each optical cell from a set of cells. The location of the dampers should ensure that each other works smoothly.
Также для детурбулизации потока выдыхаемого воздуха при прохождении оптической ячейки возможна установка по одной неподвижной заслонке как до, так и после оптической ячейки. Неподвижные заслонки имеют соосные отверстия одинаковой формы и размера, а расстояние между заслонками может быть минимизировано до размера толщины лазерного луча для обеспечения ламинарных характеристик струй при прохождении через оптическую ячейку. Заслонки также могут иметь конструктивные особенности, которые позволяют установить их непосредственно на краях оптической ячейки любых геометрических размеров с соблюдением необходимого зазора между ними для недопущения перекрытия оптического пути луча. Также эти заслонки могут быть снабжены перфорированными шторками, находящимися непосредственно на заслонке и поворачивающимися вокруг своей оси, располагаемой на плоскости заслонки перпендикулярно ей. Схема перфорации на шторке совпадает со схемой перфорации на заслонке. Поправочные коэффициенты, учитывающие движение воздуха в зазоре между пластинками и при повороте шторок, вычисляются с помощью известных аэродинамических формул.Also, to deturbulize the flow of exhaled air during the passage of the optical cell, it is possible to install one fixed damper both before and after the optical cell. The fixed shutters have coaxial holes of the same shape and size, and the distance between the shutters can be minimized to the thickness of the laser beam to ensure the laminar characteristics of the jets when passing through the optical cell. Shutters can also have design features that allow them to be installed directly on the edges of an optical cell of any geometric dimensions, while maintaining the necessary gap between them to prevent overlapping of the optical path of the beam. Also, these dampers can be equipped with perforated shutters located directly on the damper and rotating around its axis, located on the plane of the damper perpendicular to it. The perforation pattern on the curtain is the same as the perforation pattern on the damper. Correction factors that take into account the movement of air in the gap between the plates and when turning the shutters are calculated using well-known aerodynamic formulas.
Схема перфорации выбирается таким образом, чтобы заслонка создавала минимально возможное аэродинамическое сопротивление при достижении наилучших показателей детурбулизации потока. The perforation scheme is chosen in such a way that the damper creates the minimum possible aerodynamic resistance while achieving the best flow deturbulence.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ анализа динамических газовых сред реализуется за счет непрерывного анализа проходящего потока газовой смеси по всей площади поперечного сечения магистрали выдоха дыхательной маски без отбора проб или дополнительных отводных кювет. Такой подход позволяет, за счет использования метода абсорбционной лазерной спектроскопии, различных сочетаний дополнительных измерительных устройств (комплекса датчиков давления и влажности) и системы управления газодинамическими характеристиками потока, работать с газовыми смесями произвольных характера течения и влажности, а также различного происхождения и состава.The claimed technical result is achieved by the fact that the method of analyzing dynamic gaseous media is implemented through continuous analysis of the passing flow of the gas mixture over the entire cross-sectional area of the exhalation line of the breathing mask without sampling or additional outlet cuvettes. This approach allows, through the use of the method of absorption laser spectroscopy, various combinations of additional measuring devices (a complex of pressure and humidity sensors) and a control system for the gas-dynamic characteristics of the flow, to work with gas mixtures of arbitrary flow and humidity, as well as various origins and compositions.
Реализация способа анализа динамических газовых сред заключается в обеспечении возможности проведения непрерывных измерений в течение длительного времени и вывода результатов измерений в реальном времени за счет сопоставления объема газовой смеси, прошедшей через сечение сегментированного элемента, и потери интенсивности излучения в этом объеме. Способ базируется на сопряжении двух научных направлений - абсорбционной лазерной спектроскопии и газодинамики. Реализация принципов абсорбционной лазерной спектроскопии обеспечивается описанными выше оптическими ячейками. В свою очередь, реализация принципов газодинамики обеспечивается перфорированными заслонками, а также комплексом датчиков давления и влажности.The implementation of the method for analyzing dynamic gaseous media consists in providing the possibility of continuous measurements for a long time and the output of measurement results in real time by comparing the volume of the gas mixture that has passed through the section of the segmented element and the loss of radiation intensity in this volume. The method is based on conjugation of two scientific areas - absorption laser spectroscopy and gas dynamics. The implementation of the principles of absorption laser spectroscopy is provided by the optical cells described above. In turn, the implementation of the principles of gas dynamics is provided by perforated dampers, as well as a complex of pressure and humidity sensors.
Для недопущения загрязнения оптических элементов возможно оснащение устройства дополнительным сменным мембранным фильтром, устанавливаемым перед первой на пути воздушного потока перфорированной заслонкой в начале воздушной магистрали.To prevent contamination of optical elements, it is possible to equip the device with an additional replaceable membrane filter installed in front of the first perforated damper in the air flow path at the beginning of the air line.
Предлагаемое устройство может быть использовано как самостоятельно, так и совместно с системой контроля и регулирования компонентов поступающей дыхательной газовой смеси. Помимо этого, устройство может быть использовано совместно с различными системами контроля состояния и экстренной помощи длительного использования (ношения).The proposed device can be used both independently and in conjunction with a system for monitoring and regulating the components of the incoming respiratory gas mixture. In addition, the device can be used in conjunction with various systems for monitoring the condition and emergency assistance for long-term use (wearing).
Предлагаемое устройство может быть выполнено с возможностью использования как в бортовых системах контроля и жизнеобеспечения, так и в аналогичных мобильных системах. Достижение указанного технического результата возможно благодаря компактности и малым массогабаритным характеристиками устройства, что позволяет встраивать его в различные существующие или разрабатываемые стационарные или мобильные комплексы отвода и анализа выдыхаемой газовой смеси в реальном времени. The proposed device can be configured to be used both in on-board control and life support systems, and in similar mobile systems. The achievement of the specified technical result is possible due to the compactness and small weight and size characteristics of the device, which allows it to be integrated into various existing or developed stationary or mobile complexes for the extraction and analysis of the exhaled gas mixture in real time.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
На фиг. 1 представлена схема с использованием оптической ячейки, перфорированной заслонки и сменного мембранного фильтра. In FIG. Figure 1 shows a diagram using an optical cell, a perforated shutter, and a replaceable membrane filter.
На фиг. 2 представлена схема устройства с использованием перфорированных неподвижных заслонок, установленных как перед, так и за оптической ячейкой.In FIG. 2 shows a diagram of the device using perforated fixed shutters installed both in front of and behind the optical cell.
Схемы перфорации на чертежах представлены для наглядности и могут отличаться в зависимости от конфигурации магистрали выдоха дыхательной маски и оптической ячейки. Расположение комплекса датчиков давления и влажности не указано и может варьироваться в зависимости от поставленной задачи.The perforation patterns in the drawings are for illustrative purposes and may vary depending on the configuration of the breathing mask exhalation line and optical cell. The location of the complex of pressure and humidity sensors is not specified and may vary depending on the task.
Воздушная магистраль (1), оптическая ячейка со светоотражающей поверхностью (2), излучатель на базе лазера (3), приемник излучения (4), перфорированная заслонка с дроссельным механизмом (5), сменный мембранный фильтр (6), неподвижная перфорированная заслонка перед плоскостью оптического пути лазерного луча (7), неподвижная перфорированная заслонка после плоскости оптического пути лазерного луча (8).Air line (1), optical cell with reflective surface (2), laser-based emitter (3), radiation receiver (4), perforated damper with throttle mechanism (5), replaceable membrane filter (6), fixed perforated damper in front of the plane optical path of the laser beam (7), fixed perforated shutter after the plane of the optical path of the laser beam (8).
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И ПРИМЕНИМОСТЬDESCRIPTION OF WORK AND APPLICABILITY
Анализатор динамических газовых смесей, встраиваемый в магистраль выдоха дыхательной маски, работает следующим образом. Проходящий через магистраль выдоха (1) выдыхаемый воздух в качестве газовой смеси поступает на тот участок магистрали, на котором в качестве системы непрерывного снятия информации установлены одна или несколько оптических ячеек (2), а также комплекс датчиков давления и влажности. На этом участке производится снятие спектральных и газодинамических характеристик газовой смеси. В оптической ячейке (2) излучение от излучателя на базе лазера (3) проходит через анализируемую газовую смесь, многократно отражаясь от светоотражающей поверхности, и попадает на приемник (4). После чего происходит передача сигнала с приемника по информационной магистрали, либо по каналу беспроводной связи, через преобразователь сигнала на управляющий блок, соединенный с блоком обработки информации, где происходит расшифровка и интерпретация полученного сигнала. Устройство предусматривает установку датчика влажности и не менее двух пар датчиков давления: одна на участке поступления смеси в зону проведения спектральных измерений, а другие пары — после и, возможно, между оптическими ячейками, что позволяет получать информацию об объемах проходящей в магистрали газовой смеси, концентрации определяемых компонентов в реальном времени вне зависимости от перепадов давления в магистрали выдоха. Снятие и передача информации с датчиков давления и влажности, которые необходимы для реализации способа анализа динамических газовых сред, включающего в себя количественную и качественную оценки характеристик проходящей по магистрали газовой смеси, происходит аналогично снятию информации с оптических ячеек.The analyzer of dynamic gas mixtures, built into the exhalation line of the breathing mask, works as follows. The exhaled air passing through the expiratory line (1) as a gas mixture enters the section of the line where one or more optical cells (2), as well as a complex of pressure and humidity sensors, are installed as a continuous data acquisition system. In this section, the spectral and gas-dynamic characteristics of the gas mixture are taken. In the optical cell (2), the radiation from the emitter based on the laser (3) passes through the analyzed gas mixture, being repeatedly reflected from the light-reflecting surface, and enters the receiver (4). After that, the signal is transmitted from the receiver via the information highway, or via a wireless communication channel, through the signal converter to the control unit connected to the information processing unit, where the received signal is decoded and interpreted. The device provides for the installation of a humidity sensor and at least two pairs of pressure sensors: one at the site where the mixture enters the zone of spectral measurements, and the other pairs after and, possibly, between the optical cells, which makes it possible to obtain information about the volumes of the gas mixture passing in the line, concentration of determined components in real time, regardless of pressure drops in the expiratory line. Removal and transmission of information from pressure and humidity sensors, which are necessary for the implementation of the method for analyzing dynamic gaseous media, including quantitative and qualitative assessment of the characteristics of the gas mixture passing through the main, is similar to the removal of information from optical cells.
Данное устройство может быть использовано как самостоятельно, так и совместно с системой контроля и регулирования компонентов поступающей дыхательной газовой смеси для обеспечения обратной связи в схеме: объект (пациент) - регулятор дыхательной смеси - газоанализатор. This device can be used both independently and together with the system for monitoring and regulating the components of the incoming respiratory gas mixture to provide feedback in the scheme: object (patient) - respiratory mixture regulator - gas analyzer.
По причине наличия существенной неравномерности потока выдыхаемого воздуха (турбулизации либо нестационарного поступления газовой смеси) в воздушной магистрали перед оптической ячейкой для его выравнивания (детурбулизации) установлена перфорированная заслонка. Неравномерный поток, проходящий по воздушной магистрали, проходит через перфорированную заслонку (5), в результате чего происходит его детурбулизация, и попадает в зону с оптической ячейкой или набором оптических ячеек, где происходит снятие спектральных характеристик исследуемых компонентов газовой смеси, а также снятие газодинамических характеристик с помощью комплекса датчиков давления и влажности. Размеры, форма и расположение отверстий подбираются в соответствии с формой оптической ячейки и таким образом, чтобы струи газа проходили перпендикулярно лазерному лучу, а аэродинамическое сопротивление было минимальным. Такой подход позволяет повысить точность измерений и не упустить даже единичные молекулы при определении следовых количеств определяемого вещества.Due to the presence of a significant non-uniformity of the flow of exhaled air (turbulence or unsteady flow of the gas mixture), a perforated damper is installed in the air line in front of the optical cell to equalize (deturbulize) it. An uneven flow passing through the air line passes through a perforated damper (5), as a result of which it deturbulizes, and enters the zone with an optical cell or a set of optical cells, where the spectral characteristics of the studied components of the gas mixture are taken, as well as the gas-dynamic characteristics are taken using a set of pressure and humidity sensors. The size, shape, and location of the holes are selected in accordance with the shape of the optical cell and in such a way that the gas jets pass perpendicular to the laser beam, and the aerodynamic drag is minimal. This approach makes it possible to increase the accuracy of measurements and not to miss even single molecules in the determination of trace amounts of an analyte.
Для предотвращения загрязнения оптических элементов воздушный поток проходит через сменный мембранный фильтр (6).To prevent contamination of the optical elements, the air flow passes through a replaceable membrane filter (6).
Регулировка аэродинамических характеристик потока выдыхаемого воздуха в устройстве производится с помощью поворота перфорированной заслонки (5), которая может быть снабжена механизмом поворота, действующим по принципу дросселя. При этом поворот заслонки происходит таким образом, чтобы не перекрывать оптический путь лазерного луча от излучателя к приемнику. Такого рода заслонка может быть установлена как перед группой оптических ячеек, так и быть уникальной и располагаться перед каждой оптической ячейкой по отдельности для регуляции отдельных участков воздушного потока. Управление заслонками может производиться как в ручном, так и в автоматическом режиме.Adjustment of the aerodynamic characteristics of the flow of exhaled air in the device is performed by turning the perforated flap (5), which can be equipped with a turning mechanism that operates on the principle of a throttle. In this case, the shutter is rotated in such a way as not to block the optical path of the laser beam from the emitter to the receiver. This kind of damper can be installed both in front of a group of optical cells, or be unique and located in front of each optical cell separately to regulate individual sections of the air flow. The dampers can be controlled both manually and automatically.
Также для детурбулизации потока выдыхаемого воздуха при прохождении оптической ячейки может быть установлено по одной неподвижной перфорированной заслонке как непосредственно перед (7), так и за (8) оптической ячейкой (2). Эти две заслонки имеют соосные отверстия одинаковой формы и размера, а расстояние между заслонками может быть минимизировано до размера толщины лазерного луча для обеспечения ламинарных характеристик струй при прохождении через оптическую ячейку. Заслонки также могут иметь конструктивные особенности, которые позволяют установить их непосредственно на краях оптической ячейки любых геометрических размеров с соблюдением необходимого зазора между ними для недопущения перекрытия оптического пути луча. Поправочные коэффициенты, учитывающие движение воздуха в зазоре между пластинками, вычисляются с помощью известных аэродинамических формул расчета пристеночного эффекта. Также эти заслонки могут быть снабжены перфорированными шторками, поворачивающимися вокруг своей оси и таким образом регулирующими поступление воздуха в/из оптической ячейки, причем схема перфорации на шторке совпадает со схемой перфорации на заслонке. Управление перфорированными шторками может производиться как в ручном, так и в автоматическом режиме, причем при совместной работе с датчиками давления шторки могут поворачиваться так, чтобы препятствовать обратному току газовой смеси в воздушной магистрали на этапе вдоха без каких-либо затруднений на последующем этапе выдоха.Also, to deturbulize the flow of exhaled air during the passage of the optical cell, one fixed perforated shutter can be installed both directly in front (7) and behind (8) of the optical cell (2). The two shutters have coaxial holes of the same shape and size, and the distance between the shutters can be minimized to the thickness of the laser beam to ensure laminar characteristics of the jets when passing through the optical cell. Shutters can also have design features that allow them to be installed directly on the edges of an optical cell of any geometric dimensions, while maintaining the necessary gap between them to prevent overlapping of the optical path of the beam. Correction factors that take into account the movement of air in the gap between the plates are calculated using the known aerodynamic formulas for calculating the near-wall effect. Also, these shutters can be equipped with perforated shutters that rotate around their axis and thus regulate the flow of air into / out of the optical cell, and the perforation pattern on the shutter coincides with the perforation pattern on the damper. The perforated shutters can be controlled both in manual and automatic mode, and when working with pressure sensors, the shutters can be rotated so as to prevent the reverse flow of the gas mixture in the air line at the inhalation stage without any difficulty at the subsequent exhalation stage.
Изобретение может быть использовано в авиации, в том числе встроено в дыхательную маску летчика; в 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.The invention can be used in aviation, including being built into a pilot's breathing mask; in medicine as diagnostic equipment and disaster medicine (including resuscitation equipment installed on vehicles); in protective equipment and uniforms of employees of the Ministry of Emergency Situations during the elimination of fires of a high degree of danger (when there is a danger of the release of harmful substances) and man-made disasters; in the outfit of scuba divers and divers during underwater work with high physical exertion and diving to great depths; as part of climbing oxygen equipment.
Claims (14)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2773603C1 true RU2773603C1 (en) | 2022-06-06 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050273016A1 (en) * | 1999-06-08 | 2005-12-08 | Oridion Breathid Ltd. | Gas analyzer calibration checking device |
| US20090227887A1 (en) * | 2008-03-04 | 2009-09-10 | Howard C Peter | Metabolic analyzer transducer |
| US20110192213A1 (en) * | 2008-05-23 | 2011-08-11 | C-Lock Inc. | Method and system for monitoring and reducing ruminant methane production |
| RU2625258C2 (en) * | 2015-08-28 | 2017-07-12 | Сергей Андреевич Давыдов | Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask |
| WO2018041068A1 (en) * | 2016-08-29 | 2018-03-08 | 台州亿联健医疗科技有限公司 | Flow sensor for pulmonary function testing, spirometer and testing method and application thereof |
| US20190125985A1 (en) * | 2016-05-03 | 2019-05-02 | Pneuma Respiratory, Inc. | Methods for treatment of pulmonary lung diseases with improved therapeutic efficacy and improved dose efficiency |
| US20200022618A1 (en) * | 2018-05-16 | 2020-01-23 | Holly MCCLUNG | Passive, proportional measurement of oxygen and carbon dioxide consumption for assessment of metabolic parameters |
| US20210085247A1 (en) * | 2019-09-24 | 2021-03-25 | Udi E. Meirav | Systems and methods for measuring respiratory biometrics |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050273016A1 (en) * | 1999-06-08 | 2005-12-08 | Oridion Breathid Ltd. | Gas analyzer calibration checking device |
| US20090227887A1 (en) * | 2008-03-04 | 2009-09-10 | Howard C Peter | Metabolic analyzer transducer |
| US20110192213A1 (en) * | 2008-05-23 | 2011-08-11 | C-Lock Inc. | Method and system for monitoring and reducing ruminant methane production |
| RU2625258C2 (en) * | 2015-08-28 | 2017-07-12 | Сергей Андреевич Давыдов | Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask |
| US20190125985A1 (en) * | 2016-05-03 | 2019-05-02 | Pneuma Respiratory, Inc. | Methods for treatment of pulmonary lung diseases with improved therapeutic efficacy and improved dose efficiency |
| WO2018041068A1 (en) * | 2016-08-29 | 2018-03-08 | 台州亿联健医疗科技有限公司 | Flow sensor for pulmonary function testing, spirometer and testing method and application thereof |
| US20200022618A1 (en) * | 2018-05-16 | 2020-01-23 | Holly MCCLUNG | Passive, proportional measurement of oxygen and carbon dioxide consumption for assessment of metabolic parameters |
| US20210085247A1 (en) * | 2019-09-24 | 2021-03-25 | Udi E. Meirav | Systems and methods for measuring respiratory biometrics |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1850748B1 (en) | Controlling flow of exhaled breath during analysis | |
| KR101699000B1 (en) | Breath analysis | |
| CN102469954A (en) | Method and apparatus of determining exhaled nitric oxide | |
| KR101278289B1 (en) | Dual particulate matter analyzer by using beta-ray | |
| US8151630B1 (en) | Quantitative fit test system and method for assessing respirator biological fit factors | |
| US20100185112A1 (en) | Device for analysing an inflammatory status of a respiratory system | |
| US20160067531A1 (en) | System and method for respirators with particle counter detector unit | |
| JP4213221B2 (en) | Method and apparatus for indirectly measuring the concentration of a specific substance in blood | |
| US8749789B2 (en) | Gas concentration measuring apparatus | |
| CN104995511A (en) | Portable breath volatile organic compounds analyzer and corresponding unit | |
| EP2818107B1 (en) | On-airway pulmonary function tester | |
| US20110030450A1 (en) | Field olfactometer with differential flow-based dynamic dilution | |
| US20230363665A1 (en) | Capnometer | |
| RU2773603C1 (en) | Method for reducing turbulence and subsequent analysis of dynamic gas media, as well as a device for its implementation, embedded in a breathing mask | |
| US20210228106A1 (en) | Real-time dynamic and quantitative detection device for carbon dioxide in human exhaled air | |
| Gao et al. | A compact, fast UV photometer for measurement of ozone from research aircraft | |
| KR102258156B1 (en) | Test Apparatus for air-purification performance of Photocatalytic Materials and Test Method thereof | |
| CN208031231U (en) | A kind of helicobacter pylori detector expiration card | |
| Smith et al. | Evaluation of lethality estimates for combustion gases in military scenarios | |
| DE10156149A1 (en) | Apparatus for the analysis of exhaled breath, e.g. during an organ transplant, comprises an absorption cell with a light beam through it and immediate electronic analysis and display of the readings | |
| CN110522451B (en) | Method and system for measuring dispersion amount of CO in multi-component gas | |
| EP3111207A1 (en) | Method and device for determining the molecular oxygen content in a respiratory gas using sound | |
| AU775393B2 (en) | Method and apparatus for determining indirectly the concentration of a specific substance in the blood | |
| JP2018091802A (en) | Specific gas detection system, specific gas inflow prevention system, facility provided with specific gas detection system, specific gas detection method, and specific gas detection program | |
| Schomer et al. | Methods for detecting low-frequency signals in the presence of strong winds |