SU1651857A1 - Device for examining respiratory system - Google Patents

Abstract

Устройство дл  исследовани  дыхательной системы, позвол ет повысить точность измерени  характеристик дыхательной,сис- темы при использовании метода форсированных осцилл ции - осцилл торного сопротивлени , раст жимости, инерционности и др. Дыхательна  система человека через загубник 20 св зана с пневмотрактом 3 (ПТ), который через дыхательный мешок 13, ПТ 19 и электромагнитный клапан (ЭМК) 18 св зан с атмосферой. С помощью генератора 1 электрических колебаний, генерирующего шумовой сигнал в диапазоне частот 4-50 Гц, и электромеханического преобразовател  2 в ПТ 3 создаютс  пульсации давлени , а источник 4 потока воздуха позвол ет создать некоторое посто нное избыточное давление, которое можно регулировать путем открывани  и закрывани  ЭМК 18. Датчик (Д) 5 преобразует скорость воздушного потока в ПТ 3 в электрический сигнал, который усиливаетс  усилителем 7 и раздел етс  полосовым фильтром (ПФ) 8 с полосой пропускани  4-50 Гц и фильтром 17 нижних частот (ФНЧ) с частотой среза 1,5- 2,5 Гц на два сигнала, первый из которых несет информацию о пульсаци х скорости воздушного потока, а второй - о ее среднем значении, Д 6 и 14 давлени  дают информацию о пульсирующем давлении и среднем давлении в системе.2 ил. ЁA device for examining the respiratory system makes it possible to increase the accuracy of measuring the characteristics of the respiratory system, using the forced oscillation method — oscillation resistance, stretchability, inertia, etc. The human respiratory system is connected with pneumatic section 3 (PT) through the mouthpiece 20 which, through a breathing bag 13, PT 19, and an electromagnetic valve (EMC) 18, is connected to the atmosphere. Using an oscillator 1, generating a noise signal in the frequency range 4-50 Hz, and an electromechanical transducer 2 in a PT 3, pressure pulsations are created, and the source 4 of the air flow allows you to create some constant overpressure that can be regulated by opening and closing EMC 18. Sensor (D) 5 converts the air flow rate in PT 3 into an electrical signal, which is amplified by amplifier 7 and separated by a bandpass filter (CF) 8 with a passband of 4-50 Hz and a bottom filter 17 from (LPF) with a cut-off frequency of 1.5-2.5 Hz into two signals, the first of which carries information about the pulsations of the speed of the air flow, and the second about its average value, D 6 and 14 of the pressure give information about the pulsating pressure and average pressure in the system. 2 Il. Yo

Description

.А.BUT

Фиг.11

Изобретение относитс  к медицине и медицинской технике и может быть использовано дл  определени  характеристик дыхательной системы методом форсированных осцилл ции,The invention relates to medicine and medical technology and can be used to determine the characteristics of the respiratory system by the method of forced oscillations,

Цель изобретени  - повышение точности измерени  параметров дыхательной системы при различных значени х объема и давлени  воздуха в легких путем создани  ступенчато-возрастающего дозированного давлени  в тракте измерени .The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurement of the parameters of the respiratory system at different values of the volume and pressure of air in the lungs by creating a stepwise increasing metered pressure in the measuring path.

На фиг. 1 изображена структурна  схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - график зависимости статического давлени  от времени.FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device; in fig. 2 is a graph of static pressure versus time.

Устройство содержит генератор 1 электрических колебаний, электромеханический преобразователь 2, первый пневмотракт 3, источник 4 потока воздуха, датчик 5 скорости воздушного потока, датчики 6 и.14 дав- лени , усилители 7, 9 и 15, полосовые фильтры 8 и 10, аналого-цифровой преобразователь 11 с коммутатором, блок 12 управ- лени  и обработки данных, дыхательный мешок 13, фильтры 16 и 17 нижних частот, электромагнитный клапан 18, второй пневмотракт 19 и загубник 20.The device contains an electric vibration generator 1, an electromechanical converter 2, a first pneumatic actuator 3, an air flow source 4, an air flow rate sensor 5, pressure sensors 6 and 14, amplifiers 7, 9 and 15, band-pass filters 8 and 10, analog a digital converter 11 with a switch, a control and data processing unit 12, a breathing bag 13, 16 and 17 low-pass filters, an electromagnetic valve 18, a second pneumatic section 19 and a mouthpiece 20.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

При определении характеристик меха- ники дыхани  с помощью генератора 1 и электромеханического преобразовател  2 создают пульсирующий поток воздуха, который смешиваетс  с естественным дыханием человека, и регистрируют комплекс- ные параметры пульсирующей скорости потока и пульсирующего давлени , установившегос  в системе пневмотракт - легкие. Дыхание человека проходит через пневмотракт 3 в дыхательный мешок 13. Пульсирующий поток содержит частоты в диапазоне, равном примерно 4-50 Гц, и объемы пульсирующего потока, равные 1-5 мл. Измерение комплексных параметров скорости потока и давлени  на различных частотах получают, например, использу  алгоритм быстрого преобразовани  Фурье (БПФ), реализуемого в блоке 12 управлени  и обработки данных. К пульсирующему потоку и дыханию человека в пневмотракте 3 подмешиваетс  еще посто нный поток смещени  со скоростью 0,4-0,8 л/с, вырабатываемый источником 4 потока воздуха.When determining the characteristics of breathing mechanics using a generator 1 and an electromechanical transducer 2, a pulsating air flow is created, which is mixed with human natural breathing, and the complex parameters of the pulsating flow velocity and pulsating pressure, which are established in the pneumatic tract – lungs, are recorded. A person’s breathing passes through the pneumatic actuator 3 into the respiratory bag 13. The pulsating flow contains frequencies in the range of approximately 4-50 Hz, and the volumes of the pulsating flow equal to 1-5 ml. Measurement of complex flow rate and pressure parameters at various frequencies is obtained, for example, using the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm implemented in control and data processing unit 12. To the pulsating flow and breathing of a person in the pneumatic section 3, a constant flow of displacement is added at a rate of 0.4-0.8 l / s, produced by the source 4 of the air flow.

Генератор 1 электрических колебаний вырабатывает псевдослучайный сигнал с шириной спектра от 4 до 50 Гц. который преобразуетс  электромеханическим преобразователем 2 в колебани  воздуха в пневмотракте 3. В качестве электромагнитного преобразовател  может быть применен , например, электродинамический громкоговоритель . Дыхание человека поступает в пневмотракт 3 через загубник 20.The oscillation generator 1 generates a pseudo-random signal with a spectral width of 4 to 50 Hz. which is converted by an electromechanical transducer 2 into oscillations of air in the pneumatic actuator 3. As an electromagnetic transducer, for example, an electrodynamic loudspeaker can be used. The breath of a person enters the pneumatic section 3 through the mouthpiece 20.

В пневмотракт 3 поступают пульсирующие колебани  потока воздуха, которые попадают в легкие человека и смешиваютс  с потоком дыхани . Объемна  скорость потока воздуха в пневмотракте 3 и пульсирующее давление в нем преобразуютс  в электрические сигналы датчиком 5 скорости воздушного потока и датчиком 6 давлени . Эти сигналы усиливаютс  усилител ми 7 и 9 соответственно и подаютс  на полосовые фильтры 8 и 10, имеющие полосу пропускани , равную 4-50 Гц, в результате чего подавл ютс  частоты естественного дыхани  и частоты выше верхней граничной частоты пульсаций. Кроме того, сигнал пневмотахог- раммы с усилител  7 подаетс  на фильтр 17 нижних частот с частотой среза, равной 1,5- 2 Гц, дл  выделени  сигнала, соответствующего скорости потока вдоха-выдоха пациента.Pneumatic section 3 receives pulsating oscillations of the air flow, which enter the human lungs and mix with the respiratory flow. The volumetric flow rate of air in the pneumatic section 3 and the pulsating pressure in it are converted into electrical signals by the air flow rate sensor 5 and the pressure sensor 6. These signals are amplified by amplifiers 7 and 9, respectively, and fed to bandpass filters 8 and 10, having a passband of 4-50 Hz, which results in suppressing natural respiration rates and frequencies above the upper bound frequency of the pulsations. In addition, the pneumatic signal from amplifier 7 is fed to a low-pass filter 17 with a cut-off frequency of 1.5-2 Hz to extract a signal corresponding to the patient's inspiratory-expiratory flow rate.

Пневмотракт 3 св зан с дыхательным мешком 13 (обьем дыхательного мешка равен 50-60 л), выход которого через пневмотракт 19 подключен к выходу датчика 6 давлени , входу датчика 14 давлени , выход которого св зан с атмосферой, и входу электромагнитного клапана 18, при открывании которого (при подаче с блока 12 управл ющего сигнала) пневмотракт 19 соедин етс  с атмосферой. Поскольку в дыхательном мешке 13 происходит усреднение (интегрирование ) давлени  в пневмотракте 3, то давление в пневмотракте 19 соответствует среднему значению давлени  в пневмотракте 3, который св зан с легкими испытуемого. Поэтому выходной сигнал датчика 14 давлени  пропорционален среднему значению давлени  в пневмотракте 3, а выходной сигнал датчика 6 давлени  пропорционален пульсирующему давлению в пневмотракте 3 относительного среднего значени . Величину среднего давлени  в пневмотракте 3 при посто нном потоке воздуха, поступающего от источника 4 потока воздуха, можно регулировать с помощью электромагнитного клапана 18.Pneumatic section 3 is connected with a breathing bag 13 (the volume of the breathing bag is 50-60 liters), the output of which is connected via pneumatic section 19 to the output of pressure sensor 6, the pressure sensor input 14, the output of which is connected to the atmosphere, and the solenoid valve 18, opening of which (when the control signal is supplied from block 12), the pneumatic actuator 19 is connected to the atmosphere. Since the pressure in the pneumatic section 3 is averaged (integrated) in the breathing bag 13, the pressure in the pneumatic section 19 corresponds to the average pressure value in the pneumatic section 3, which is associated with the lungs of the subject. Therefore, the output signal of pressure sensor 14 is proportional to the average pressure value in pneumatic section 3, and the output signal from pressure sensor 6 is proportional to the pulsating pressure in pneumatic section 3 relative average value. The magnitude of the average pressure in the pneumatic section 3 at a constant air flow from the air flow source 4 can be adjusted by means of an electromagnetic valve 18.

Выходной сигнал датчика 14 давлени  усиливаетс  усилителем 15 и усредн етс  фильтром 16 нижних частот. Выходные сигналы полосовых фильтров 8 и 10 и фильтров 16 и 17 нижних частот поступают на входы аналого-цифрового преобразовател  (АЦП) 11, в состав которого входит коммутатор, управл емый сигналами, поступающими с блока 12 управлени  и обработки данных.The output of pressure sensor 14 is amplified by amplifier 15 and averaged by low pass filter 16. The output signals of the band-pass filters 8 and 10 and of the filters 16 and 17 of the lower frequencies are fed to the inputs of the analog-to-digital converter (ADC) 11, which includes a switch controlled by signals from the control and processing unit 12.

Работа устройства осуществл етс  в несколько фаз В первой фазе после подключени  испытуемого к пневмотракту 3 через загубник 20 в системе пневмотракта 3 - легкие начинает возрастать статическое давление (фаза I, на фиг. 2), которое измер етс  блоком 12 через датчик 14 давлени , усилитель 15, фильтр 16 нижних частот и АЦП 11, вход которого в этом случае по команде с блока 12 подключен к выходу фильтра 16 нижних частот. При достижении заданного уровн  статического давлени  Рст1 включают режим амабилизации, в результате чего за счет периодического открывани  и закрывани  электромагнитного клапана 18 статическое давление в системе поддерживаетс  в пределах РСт1 - Рст1 (фаза Н на фиг. 2). При достижении задаг)чого уровн  давлени  по команде с блока 12 управлени  и обработки данных происходит последовательный опрос входов АЦП 11, в результате чего в блок 12 поступает информаци , позвол юща  вычислить объемы вдоха-выдоха, осцилл торное сопротивление , раст жимость, инерционность легких и другие необходимые параметры.The device operates in several phases. In the first phase, after the subject is connected to the pneumatic section 3 through the mouthpiece 20 in the pneumatic section 3, the lungs begin to increase static pressure (phase I, in Fig. 2), which is measured by block 12 via pressure sensor 14, amplifier 15, a low-pass filter 16 and an A / D converter 11, the input of which in this case, on command from block 12, is connected to the output of the low-pass filter 16. When the specified static pressure level Pst1 is reached, the stabilization mode is activated, as a result of which, due to the periodic opening and closing of the electromagnetic valve 18, the static pressure in the system is maintained within PCt1 to Pst1 (phase H in Fig. 2). Upon reaching the target pressure level, a command from the control and data processing unit 12 sequentially polls the inputs of the ADC 11, as a result of which information is received in block 12, which allows to calculate inspiratory-expiratory volumes, oscillatory resistance, stretchability, inertia of the lungs and other required parameters.

После окончани  вычислений кгапан 18 закрываетс  и статическое давление в системе начинает нарастать до нового заданного уровн  Рст2 (фаза II на фиг ) при достижении которого оп ть включают режим стабилизации давлени  и начинают вычисл ть параметры дыхани  (фаза IV на фиг. 2).After completing the calculations, the kgapan 18 closes and the static pressure in the system begins to increase to a new predetermined level Pst2 (phase II in FIG.), When reached, the pressure stabilization mode is switched on again and the respiration parameters start to be calculated (phase IV in Fig. 2).

Последнюю фазу измерений провод т на уровне РстП, не превышающем 20 см вод ного столба, чтобы не повредить легкие,The last phase of the measurements is carried out at the level of EOF, not exceeding 20 cm of water column, in order not to damage the lungs,

После измерени  характеристик механики дыхани  на всех уровн х статического давлени  клапан 18 открываетс  и давление в пневмотракте 3 возвращаетс  к атмосферному .After measuring the characteristics of the breathing mechanics at all levels of static pressure, the valve 18 opens and the pressure in the pneumatic section 3 returns to atmospheric.

Claims (1)

Формула изобретени  Устройство дл  исследовани  дыхательной системы, содержащее первый пневмот- ракт с загубником, последовательно соединенные датчик скорости воздушногоClaims An apparatus for examining a respiratory system, comprising a first pneumatic actuator with a mouthpiece, connected in series with an air velocity sensor потока, вход которого подключен к первому пневмотракту р дом с загубником, первый усилитель и лерэый полосовой фильтр, по- следоватегьно соединенные пзрвый датчикthe flow, the inlet of which is connected to the first pneumatic section next to the mouthpiece, the first amplifier and the low band-pass filter, are successively connected to the right sensor давлени , первый вход которого подключен к первому пневмотракту, второй усилитель и второй полосовой фильтр, последовательно соединенные генератор электрических колебаний и электромеханический преобразоватепь , выход которого подключен к первому пневмотракту, источник потока воздуха, выход которого соединен с первым пневмотрактом, а также первый фильтр нижних частот вход которого подключен кpressure, the first input of which is connected to the first pneumatic section, the second amplifier and the second band-pass filter, an oscillator connected in series and an electromechanical converter, the output of which is connected to the first pneumatic section, an air flow source whose output is connected to the first pneumatic section, as well as the first low-pass filter whose input is connected to выходу первого усилител -, отличающеес  гем, что, с целью повышени  точности измерени  параметров дыхательной системы при различных значени х объема и давлени  воздуха в легких путем создани the output of the first amplifier, characterized by heme, which, in order to increase the accuracy of measurement of the parameters of the respiratory system at different values of the volume and pressure of the air in the lungs by creating ступенчато-возрастающего дозированного давлени  в тракте измерени , оно снабжено вторым пневмотрактом, электромагнитным клапаном вход которого подключен к второму пневмотракту, а выход соединен с атмосферой , дыхательным мешком, установленным между первым и вторым пнеемотрактами, последовательно соединенными вторым датчиком давлени , первый вход которого подключен к второмуstep-increasing metered pressure in the measurement path, it is equipped with a second pneumatic section, with an electromagnetic valve whose input is connected to the second pneumatic section, and the output is connected to the atmosphere, a breathing bag installed between the first and second pneumo sections, connected in series by a second pressure sensor, the first input of which is connected to the second входу первого датчика давлени  и второму пневмотракту, а второй вход соединен с атмосферой , третьим усилителем и вторым фильтром нижних частот, аналого-цифровым преобразователем с коммутатором, информационные входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго полосовых фильтров и первого и второго фильтров нижних частот, блоком управлени  и обработки данных, информационныйthe input of the first pressure sensor and the second pneumatic path, and the second input is connected to the atmosphere, the third amplifier and the second low-pass filter, an analog-digital converter with a switch, the information inputs of which are connected respectively to the outputs of the first and second band-pass filters and the first and second low-pass filters, information control and processing unit вход которого соединен с выходом аналого- цифрового преобразовател  с коммутатором , адресный вход которого подключен к первому выходу блока управлени  и обработки данных, второй вход которого соединен с входом управлени  электромагнитного клапанаthe input of which is connected to the output of the analog-digital converter with the switch, whose address input is connected to the first output of the control and data processing unit, the second input of which is connected to the control input of the solenoid valve Per.,Per., fbrffbrf i a ш ai a sh a Риг 2Rig 2