Устройство для измерения временных параметров дыхания

(19 011 61 В 5/О Я ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ АВТСВВТСТСУ СВИВВТВЛЬСТВУВРЕМЕНИЗМЕИЯ юл. Ф 12политехнический и для измерения врев дыхания может бы эмерения времен В.В.РомВВЧувикин ов,ани ли и при диа ка-операт ностикера. Приаску 1 че 6 вдоха. С 9 етельство В 5/08, 1 пает в клапаномвам ГОСУДАРСТВЕНКЬ 1 Ч 1 КОМИТЕТОО ИЭОБРЕТЕНИЯ 4 И ОТНРЫТИЯИ ЮКТ СССР(54) УСТРОЙСТВО НВХ ПАРАМЕТРОВ Д (57) Устройство менных параметр использовано дл выдоха и частот ческой медицине состоятия челов вдохе воэдух по реэ отверстие 5 11553052 51015 20 30 40 45 50 55 При выдохе воздух выходит через отверстие Э с клапаном 4 выдоха и одновременно через отверстие 2 поступает в область над мембраной 8 и давит на мембрану, которая вследствиеэтого прогибается. Мембрана 8, шторка 9, источник света 10 и фотоприемник 11 образуют датчик давления,расположенный в камере 7 по главнойоси струи вьщыхаемого воздуха.Привыдохе за счет избыточного давленияпорядка 20 Па внутри маски мембрана8 прогибается, шторка 9 перекрываетсветовой поток, в результате чего навыходе блока 12 вьделения сигналов Изобретение относится к медицине имедицинской технике и может быть использовано при измерении статических характеристик временных параметров дыхания в клинической медицине,а также при диагностике состояния оператора.Целью изобретения является повышение точности измерений путем сниже. ния внешней нагрузки на дыхательную систему.На чертеже изображена структурная схема устройства для измерения временных параметров дыхания.Устройство содержит дыхательную маску 1 с первым отверстием 2, вторым отверстием 3 с клапаном 4 выхода, третьим отверстием 5 с клапаном 6 вдоха, датчик 7 давления, размещенный в камере и включающий в себя мембрану 8, соединенную со шторкой 9, и датчик перемещения, содержащий источник 10 света и фотоприемник 11, блок 12 вьщеления сигналов выдсха, содержащий усилитель-ограничитель 13 и триггер 14 Шмитта, и блок 15 измерения.Устройство работает следующим образом.При вдохе воздух поступает в маску через отверстие 5 и открывающийся при вдохе клапан 6 вдоха. Сопротивление клапана 6 потоку воздуха зависит от упругости его материала и выбрано таким, чтобы разность давлений практически не ощущалась оператором. Шторка 9 при вдохе сохраняет свое положение практически неизменным и поток света непрерывно поступает в выдоха, содержащего усилитель-ограничитель 1 Э и триггер 14 Нмитта,формируется сигнал, длительность которого соответствует продолжительности фазы вьдоха, поступающий наблок 15 регистрации, В описании ив формуле изобретения приведены соотношения, позволяющие оптимизировать конструктивные параметры маскии датчика давления с целью повыситьточность измерений путем снижениявнешней нагрузки на дыхательную систему испытуемого. 4 э.п. ф-лы,1 ил,фотоприемник 14. При выдохе клапан 6 вдоха закрывается, и воздух выходит в атмосферу через отверстие Э и открывающийся при этом клапан 4 выдоха и одновременно попадает через отверстие 2 в предмембранное про-. странство датчика 7, оказывая давление на мембрану 8, Прогибаясь, мембрана выдвигает шторку 9 так, что она перекрывает поток света от источника 10 к фотоприемнику 11. При окончании выдоха шторка 9 возвращается в исходное положение, восстанавливая оптический канал по оси от источника 10 к фотоприемнику 11. Давление воздуха на мембрану 8 осуществляется преимущественно эа счет энергии движущегося потока воздуха при выдохе и лишь в небольшой степени эа счет избыточного давления внутри маски 1, Таким образом, за счет изменения освещенности фотоприемника 11 на его выходе вырабатывается электрический сигнал, длительность которого соответствует продолжительности фазы выдоха. Этот сигнал поступает на вход блока 12 вьщеления сигналов выдоха,с выходов которого сигналы,соответствующие фазе выдоха по продапжительности, поступают на вход блока 15 измерения, Выделение сигналов выдоха осуществляется в блоке 12 за счет усиления-ограничения выходного сигнала фотоприемника 11 в блоке 13 и последующего формирования сигналов триггера 14 Шмитта.Для уменьшения нагрузки на дыхательную систему испытуемого необходимо поддерживать во время выдоха0,вымою кс где секундньй объем привьдохе. л/с,351 45 где и и= Юс 1 избыгочнсе внутримагочц .с давлениев пределах не более 0-25 Па ц не менее порогового, оппеле.яемого чув. стнительностью датчика 7, а во время вдоха - от О до 20 11 а, по возможности ближе к нулю. Именно такое сочетание позволяет снизить до требуемого предела влияние внешней нагрузки на дьгсательцые пути и при этом не предъявлять слишком жестких требований к датчику 7, т,к. на выдохе он эффективнее реагирует не только на статическое давление, цо и на динамическое.Для уточнения конструктивных параметров устройства были проведены экспериментальные и теоретические исследования, позволившие уточнить соотношение размеров отверстий маски с параметрами датчика 7.По результатам измерений была получена аппроксимиронанная линейной регрессией зависимость диаметра отверстия диафрагмы (д) от максимального внутримасочного давления (р) следующего вида: 0=107-285 р (1) где коэффициенты отнесены к единице пикового значения секундного дыхательного объема. Одновременно в этом эксперименте был установлен порог внутримасочного давления, при котором начинали появляться ощущения сопротивления дыханию (20 Па),Согласно теории мембран с учетом ограничения давления внутри маски величиной 20 Па можно получить выражение для нахождения минимального диаметра (Д) заделки мембраны в корпусе датчика: П =138 --с Ь ф )ф- линейное перемещение, мм центра мембраны, при котором может быть эарегистрирован с требуемой надежностью сигнал датчика;с - жесткость мембраны, кг/м,определяемая для эластичных материалов и малых перемещений, как правило,экспериментально;коэффициент, учитывающийпотерю эффективной площадимембраны в зависимостиот ее формы,Д.".я г фрироцаццьх эластпцых мембран с жестким центром, ктгрье наи.более целесообразно попользовать вданных условиях, при малых перемещениях (порядка цесклг них процентовот диаметра) величинаможет бытьопределена по следующеи формуле; где г 1 - диаметр жеского центра.4Диаметр отверстия в маске длявдоха (с 1 ) должен быт таким, чтовд15 бы давление в маске прп вдохе отличалось от атмосферного це более чемца 20 Па. Подставляя эту величинув формулу (1), получаем,1"; 50 0". (3) максимальный пиковыйсекундный объем при вдохе, л/с.Диаметр отверстия н маске дляЬЫЯвыдоха (Й ) должен быть выбранисходя из следующего эмпирическогосоотношения: диаметр мембраны,мм;максимальгц й пиковый . Выбор параметра Ь зависит от конструктивных особенностей фотоэлектрического преобразонателя перемещений 40 мембраны, способа обработки полученного сигнала и требований к вероятности его обнаружения. Для техни - ческого решения, приведенного н описании изобретения,где Й, - диаметр фотоприемникаили отверстия диафрагмы;50 коэффициент перекрытия светового потока, при котором с заданной вероятностью принимается решениео появлении сигнала,При использовании триггера Шмитта величинаможет быть установлена в пределах 0,4-0,6,Эксперименты показали, что подобранные указанным образом параиет 1553052ры датчика обеспечивают надежное определение временных интервалов и при наличии дополнительного отверстия для свободного прохода воздуха, если его диаметр не будет превышатьсэвеличины Й , определяемой из соотношения (4) с заменой величины максимального пикового расхода воздуха на минимальное.Для поддержания избыточного давления в маске в заданных пределах в процессе вьдоха служит клапан, выполненный из гибкого материала (резины) . Его жесткость (с ) может бьггь выбрана исходя из диапазона изменений эффективной площади (8) и перемещений свободного конца (Ь ) по следующей формуле;Ьк ск 3 82 Ь с 2,5 ) -ъ -ь - - - - - б) к 0 Отверстие для свободного прохода воздуха может быть выполнено в виде зазора мекду клапаном выдоха и отверстием вьдоха, имеющимся пои нулевом перепаде давлений.Пиковые значения секундного дыхательного объема определяют экспериментально, Максимальные и минимальные величины зависят от возрастной и профессиональной группы операторов, для которой предназначено данное устройство. Если эта группа строго не определена, значения секундного объема могут быть взяты из справочной литературы.Если устройство используется для определенной группы операторов, функционирующих в сильно изменяющихся условиях, отверстие выдоха может быть выполнено регулируемым в виде ирисовой диафрагмы.Формула из обрет ения1. Устройство для измерения временных параметров дыхания, содержащее маску с первым отверстием, датчик давления, включающий в себя мембрану и датчик перемещения, и блок измерения, о т л и ч а ю щ е е с я теМ, что, с целью повышения точности измерений путем снижения внешней нагрузки на дыхательную систему, мембрана установлена в камере непосредственно за первым отверстием, расположенным вблизи оси струи воздуха, образуемой при выдохе, в50 д где с я диаметр первого отверстия, мм;максимальный пиковый секундный объем при вдохе,л/с,диаметр мембраны датчи 15 в 4мыкс минимал ьный ка давления определяется выражением ЬП =138мнН где с - жесткость мембраны, кг/м;Ь - линейное перемещение центрамембраны, при котором может быть зарегистрирован сигнал датчика перемещения, мм;коэффициент потерь эффективной площади мембраны,а диаметр второго отверстия и диаметр мембраны связаны соотношением 109 10 с Ь вылд (107 ----- -) ."выар, д 2ы мыкс35 где д д - диаметр второго отверстия ммП - выбранный диаметр заделки мембраны, мм;- максимальный пиковыйсекундный объем выдоха,л/с.2. Устройство по п.1, о т л и - 45 ч а ю щ е е с я тем, что датчикдавления снабжен шторкой, жестко соединенной с центром мембраны, а датчик перемещения содержит источниксвета и фотоприемник, расположенныепо обе стороны от шторки так, чтобысоединяющая их ось в нейтральномположении проходила в непосредственной близости от края шторки. 40 ВВЯС Мыкс 553. Устройство по п.1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что клапан выдоха выполнен иэ эластичного материала, жесткость которого определяется зависимостью нижней части маски выполнены дополнительно два отверстия, одно из которых снаожено клапаном вдоха, другое - клапаном выдоха а блок измеУрения подключен к выходу датчика перемещения мембраны через блок выделения сигналов вдоха, при этом диаметр первого отверстия определяется зависимостью1553052 10свободного прохода воздуха при любомположении клапана всегда больше величины Йс, определяемой выражением кла 10 Ь с вмаб й = (107 " ----- ) Ссе П 1ммкс/7 25 Я,с 382 Ьс Бк т В Ь 10 Составитель А.фальцманРедактор М.Циткина Техред М.Дидык Корректор М,Максимишинец Заказ 4 11 Тиращ 551 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 где Б - эффективная площадьпана, ммЬ - максимальное перемещениексвободного конца клапана,ммсн - жесткость клапана, кг/м.4. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что клапан выдоха имеет площадь, меньшую площади второго отверстия настолько, что диаметр образуемого отверстия для ВвЧгде Смкк - минииальный средний секундный объем при выдохе, л/с,5. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок выделения сигналов выдоха содержитпоследовательно соединенные усили тель-ограничитель и триггер Йчитта.