Патент на изобретение №2328969

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к биотелеметрическим способам измерения и регистрации внешнего дыхания человека. Изобретение предназначено для изучения параметров дыхания при физиологических, гигиенических и экологических исследованиях, преимущественно в естественных условиях жизнедеятельности, например на производстве, в спорте, безмасочным методом импедансной пневмографии (реопневмографии).

Известен биорадиотелеметрический способ измерения внешнего дыхания человека в естественных условиях с помощью серийной 4-канальной системы «Спорт», производимой в СССР на НПО РЭМА, г.Львов, посредством резистивного датчика, размещаемого на грудной клетке. Недостатком такого пневмографического способа является пониженная точность определения частоты дыхания и практическая невозможность количественного определения дыхательных объемов в естественных условиях жизнедеятельности.

Известен способ и устройство для импедансной пневмографии в стационарных условиях при относительном физическом покое обследуемого, причем кратковременный фрагментарный контроль осуществляется водяным спирометром Gould – см. пат. США №6015389, А61В 1/00, Jan. 18, 2000. Impedance pneumography, fig.4a, 4b.

Недостатками описанного способа являются, во-первых, лабораторные условия измерения дыхательных объемов, во-вторых, методическая сложность применения указанного спирометра в качестве контрольного измерителя параметров внешнего дыхания в естественных условиях жизнедеятельности человека, что подтверждается отсутствием для этих условий данных импедансной пневмографии, в-третьих, пониженная точность измерения дыхательных объемов из-за отсутствия учета нелинейной (например, в виде полинома 1-й степени или экспоненты) связи спирограмм и импедансных пневмограмм в диапазоне дыхательных объемов от минимума до максимума, т.е. от 0,1…0,2 литра до 3…6 литров (т.е. до жизненной емкости легких) – см. Поводатор А.М., Шестаков И.М. – Метрологическая оценка возможности использования реопневмографии для количественного определения дыхательных объемов. – Физиология человека, 1980, том 6, №3, с.564…567.

Наиболее близким к предложенному техническому решению – способу биотелеметрии внешнего дыхания человека является способ биотелеметрии внешнего дыхания посредством импедансной пневмографии и параллельной спирометрии при спортивных исследованиях – беге на месте рядом со спирографом и тренировочном беге в спортзале с физиологической дыхательной нагрузкой – загубником, трубчатым шлангом и мешком для сбора выдыхаемого воздуха (так называемым мешком Дугласа, названным по имени автора методики его использования) – см. Розенблат В.В. и др. – Искажения респираторных показателей во время мышечной работы при масочных методах исследований. – Бюл. эксперим. биологии и медицины, 1985. XCIX, №1, с.115…118 – прототип.

Особенность описанных в прототипе экспериментов в том, что вышеуказанная дыхательная нагрузка характерна как негативный фактор для общепринятой методики Дугласа при определении минутного объема дыхания – сбора в мешок выдыхаемого воздуха с последующим измерением его количества посредством газосчетчика, например спирометра на основе крыльчатой турбинки – см. Маркосян А.А. – Физиология. – «Медицина», М., 1971, с.169, 170, рис.65а, б. Однако в данном случае измерение количества выдыхаемого воздуха по Дугласу не проводилось в соответствии с задачами экспериментов.

Недостатками этого способа являются, во-первых, деформация структуры внешнего дыхания, обусловленная масочной спирометрией, причем сдвиги параметров дыхания достигают десятков процентов при физических нагрузках вследствие затруднения дыхания при любых разновидностях масочных методов, в том числе использующих загубник и шланг к мешку Дугласа, во-вторых, «привязка» исследований к спирографу, малопригодному для оперативного параллельного применения с биотелеметрией внешнего дыхания посредством импедансной пневмографии в естественных условиях жизнедеятельности человека, причем результаты импедансной пневмографии, выраженные в омах или в вольтах, калибруют по результату спирометрии, выраженному в литрах, в-третьих, использование калибровки импедансной пневмограммы по предыдущим данным спирографии во время бега на месте, а не параллельной спирометрии во время тренировочного бега в спортзале не обеспечивает достоверность и точность биотелеметрического измерения объемных параметров внешнего дыхания, были использованы усредненные, а не текущие данные объемных параметров дыхания.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение оперативности и точности биотелеметрии внешнего дыхания человека посредством импедансной пневмографии, а в конечном итоге – повышение точности длительных непрерывных биотелеметрических измерений параметров внешнего дыхания человека посредством импедансной пневмографии в естественных условиях жизнедеятельности.

Для решения поставленной задачи предлагается способ регистрации внешнего дыхания человека посредством импедансной пневмографии.

В способе биотелеметрии внешнего дыхания человека посредством параллельно осуществляемых импедансной пневмографии и спирометрии, причем результаты импедансной пневмографии, выраженные в омах или в вольтах, калибруют по результату спирометрии, выраженному в литрах, предлагается то, что спирометрию осуществляют, по крайней мере, в два этапа, первый – в начале процесса импедансной пневмографии, последний – в конце процесса импедансной пневмографии, каждый из указанных этапов осуществляют путем 6…12 вдохов и выдохов через спирометр при частоте дыхания, находящейся в пределах 24…32 в 1 мин, величина дыхательного объема находится в пределах 0,9…1,1 литра, результат спирометрии получают путем суммирования амплитуд вдохов или выдохов и деления полученного значения на количество соответственно вдохов или выдохов.

Отличительные признаки предложенного технического решения способа обеспечивают оперативность и точность биотелеметрии внешнего дыхания человека посредством импедансной пневмографии, а в конечном итоге – повышение точности длительных непрерывных биотелеметрических измерений параметров внешнего дыхания человека посредством импедансной пневмографии в естественных условиях жизнедеятельности.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1. Погрешность спирометра при пульсирующем воздушном потоке в 1 литр.

Фиг.2. Фрагмент импедансной пневмограммы, телеметрированной по радиоканалу во время рабочей смены лесоруба.

Биотелеметрия внешнего дыхания человека в естественных условиях жизнедеятельности производится при помощи биотелеметрического комплекса, например, см. Поводатор А.М. и др. – Радиотелеметрический комплекс для регистрации респираторных параметров у свободно перемещающегося человека. Информационный листок №671 – 77, Свердловск, ЦНТИ, 1977, c.1…4.

На грудной клетке обследуемого размещены электроды, подключенные к первичному биоимпедансному преобразователю «импеданс – напряжение», соединенному с входом собственно биотелеметрической системы, передающая часть которой вместе с первичным преобразователем составляет так называемый «прибор пациента», который закреплен на обследуемом, например помещен в карман одежды. Приемная часть с регистратором образует «прибор исследователя» и находится на каком-то расстоянии от обследуемого.

Для спирометрии используется малогабаритный портативный сухой спирометр ССП с 6-литровой шкалой объемов стрелочного (часового) типа с ценой больших делений 1 литр, малых – 0,1 литра. Его паспортная погрешность 8%, причем по результатам наших экспериментов в случае непрерывных воздушных потоков более 12 литр/мин его погрешность снижается до 2-3%. Однако возможно и измерение с его помощью пульсирующих воздушных потоков, аналогичных дыханию. Это обусловлено возможностью снижения инерционности спирометра за счет обратного – при вдохе через него – воздушного потока, осуществляющего, например, для крыльчатки аэродинамическое торможение, для термисторного измерителя – ускорение охлаждения термистора (возврат температуры). На фиг.1 показана полученная нами экспериментально погрешность спирометра ССП при различной частоте (аналогичной частоте дыхания обследуемого) продувания через него 1-литрового объема воздуха. Из нее видно, что при обычной для физической нагрузки частоте дыхания 24…32 1/мин погрешность составит около 2%. Такая погрешность соизмерима с лабораторными приборами (спирографами замкнутого типа, водяными спирометрами и проч.) и позволяет использовать портативный спирометр для калибровки при исследованиях внешнего дыхания человека в условиях естественной жизнедеятельности.

Выходной сигнал биотелеметрической системы – импедансная пневмограмма, на которой количество экстремумов (раздельно по вдохам или выдохам) отражает частоту дыхания, разность текущей величины импедансной пневмограммы в точках минимального экстремума и следующего за ним максимального (или наоборот) отражает дыхательный объем, а сумма этих разностей (амплитуд) за минуту является величиной минутного объема дыхания.

Процесс биотелеметрии внешнего дыхания посредством импедансной пневмографии производится с параллельно осуществляемой, по крайней мере в начале и конце процедуры импедансной пневмографии спирометрией, при этом каждый этап спирометрии является процессом калибровки.

Калибровка, определяющая соотношение импеданса и дыхательных объемов в виде коэффициента с размерностью «Ом/литр» заключается в многократном, например 6…12 раз, 2 цикла по 6 литров, равномерном выдохе и вдохе воздуха обследуемым через спирометр с контролем величины 1 литр по его шкале, с частотой равномерного дыхания 24…32 1/мин, а на импедансной пневмограмме отмечают соответствующую группу из 6…12 колебаний амплитуды и определяют усредненную величину соответствия 1 литра дыхательного объема и импеданса. В конце исследований процедура повторяется для корректировки результатов калибровки. Время калибровки составляет всего 1…3 мин, что позволяет практически не отвлекать обследуемого от работы и увеличивает оперативность исследований. Калибровка снижает погрешность из-за нелинейности соотношения импеданса и дыхательных объемов в диапазоне дыхательных объемов от долей литра до нескольких литров, отмеченной выше: в случае калибровки в дыхательном объеме 0,9…1,1 литр (оптимально – 1 литр), обычном для естественной жизнедеятельности (труд, спорт), погрешность калибровки равна 3…5% – см. Поводатор А.М., Шестаков И.М. – Метрологическая оценка возможности использования реопневмографии для количественного определения дыхательных объемов. – Физиология человека, 1980, том 6, №3, с.564…567.

На фиг.2 приведен иллюстративный вариант импедансной пневмограммы, полученной радиотелеметрическим способом во время рабочей смены у одного из рабочих – лесорубов: сначала – фрагмент калибровки (по 1 литру) в начале работы, далее – процесс естественного дыхания во время работы, в конце – фрагмент финальной калибровки.

Полученные результаты подтверждают оперативность и точность предложенного способа биотелеметрии внешнего дыхания человека посредством импедансной пневмографии, а в конечном итоге – повышение точности длительных непрерывных биотелеметрических измерений параметров внешнего дыхания человека посредством импедансной пневмографии в естественных условиях жизнедеятельности.

Формула изобретения

Способ биотелеметрии внешнего дыхания человека посредством параллельно осуществляемых импедансной пневмографии и спирометрии, причем результаты импедансной пневмографии, выраженные в Омах или в Вольтах, калибруют по результату спирометрии, выраженному в литрах, отличающийся тем, что спирометрию осуществляют по крайней мере в два этапа, первый – в начале процесса импедансной пневмографии, последний – в конце процесса импедансной пневмографии, каждый из указанных этапов осуществляют путем 6-12 вдохов и выдохов через спирометр, при частоте дыхания, находящейся в пределах 24-32 в 1 мин, величина дыхательного объема находится в пределах 0,9-1,1 л, результат спирометрии получают путем суммирования амплитуд вдохов или выдохов и деления полученного значения на количество, соответственно, вдохов или выдохов.

РИСУНКИ