Устройство для измерения концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе

 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в пульмонологии для диагностики заболеваний дыхательных путей. Устройство включает измерительную камеру, соединенную с дыхательными путями пациента и содержащую ультразвуковой излучатель с отражателем звукового сигнала, датчик температуры и нагреватель, которые соединены соответственно с входом и первым выходом блока термостатирования, коммутатор, цифроаналоговый преобразователь, блок формирования опорных сигналов, генератор импульсов, первый выход которого подключен к ультразвуковому излучателю и первому входу усилителя, а второй - к ждущему мультивибратору, усилитель, второй вход которого соединен с выходом ждущего мультивибратора, амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом усилителя, логарифмирующий преобразователь, выход которого подсоединен к входу порогового устройства и к первому входу вычислительной схемы, второй вход этой схемы соединен с выходом порогового устройства, третий - с вторым выходом блока термостатирования, а четвертый и пятый использованы для управления режимом работы устройства и задания номера градуировочной точки, первый выход вычислительной схемы подключен к управляющему входу логарифмирующего преобразователя и управляющему входу порогового устройства, а второй - к входу блока индикатора. Один из входов коммутатора соединен с выходом амплитудного детектора, управляющий вход коммутатора - с четвертым выходом вычислительной схемы, а выход - с первым входом логарифмирующего преобразователя, третий выход вычислительной схемы соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен ко второму входу логарифмирующего преобразователя и входу блока формирования опорных сигналов, каждый из выходов которого соединен с соответствующим входом коммутатора. Выполнение схемы устройства позволяет повысить точность измерения концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе. 4 ил.

Изобретение относится к медицине, в частности к функциональной диагностике (пульмонологии), и может быть использовано для диагностики таких заболеваний, как астма, гипервентиляционный синдром и др.

Известно устройство для определения концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе [1], основанное на измерении разности скоростей распространения ультразвука различных частот анализируемой газовой смесью. Применение данного метода позволяет снизить составляющие погрешности, обусловленные влиянием температуры и влажности выдыхаемого воздуха. В данном устройстве [1] для анализа концентрации углекислого газа и компенсации влияния мешающих компонентов применена двухчастотная схема. Устройство содержит два независимых задающих генератора, соединенных через формирователь импульсов и усилитель со входом ультразвукового излучателя, который является одновременно источником и приемником измеряемого сигнала. Излучатель находится в измерительной камере, соединенной с дыхательными путями пациента. Выход излучателя соединен с входом усилителя, выход которого подключен к вычислительной схеме, устройству управления и схеме задержки.

Данному устройству присущи следующие недостатки.

1. Наличие двух задающих генераторов, формирующих сигналы с разными частотами, и только одного приемопередатчика ультразвукового сигнала требует применения широкополосного излучателя. Излучатели такого типа имеют низкую добротность и малое соотношение сигнал/ шум, что снижает чувствительность преобразования и соответственно увеличивает погрешность определения СO₂ в выдыхаемом воздухе.

2. Отсутствует возможность градуировки устройства поверочными газовыми смесями.

3. Отсутствие средств термостабилизации измерительной камеры может приводить к образованию конденсата на поверхности ультразвукового преобразователя. Это, в свою очередь, приведет к поглощению и рассеянию принимаемых преобразователем ультразвуковых волн, что дополнительно увеличит погрешность определения концентрации СО₂ в выдыхаемом воздухе.

Техническая задача заключается в повышении точности измерения концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Для достижения данной задачи устройство состоит из измерительной камеры, соединенной с дыхательными путями пациента и содержащей ультразвуковой излучатель с отражателем звукового сигнала, датчик температуры и нагреватель, которые соединены соответственно со входом и первым выходом блока термостатирования; коммутатора, цифроаналогового преобразователя, блока формирования опорных сигналов, генератора импульсов, первый выход которого подключен к ультразвуковому излучателю и первому входу усилителя, а второй - к ждущему мультивибратору, усилителя, второй вход которого соединен с выходом ждущего мультивибратора, амплитудного детектора, вход которого соединен с выходом усилителя, логарифмирующего преобразователя, выход которого подсоединен ко входу порогового устройства и к первому входу вычислительной схемы, второй вход этой схемы соединен с выходом порогового устройства, третий - с вторым выходом блока термостатирования, а четвертый и пятый входы служат для управления режимом работы устройства и задания номера градуировочной точки, первый выход подключен к управляющим входам логарифмирующего преобразователя и порогового устройства, а второй - ко входу блока индикаторов, при этом один из входов коммутатора соединен с выходом амплитудного детектора, управляющий вход коммутатора - с четвертым выходом вычислительной схемы, а выход - с первым входом логарифмирующего преобразователя, третий выход вычислительной схемы соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен ко второму входу логарифмирующего преобразователя и входу блока формирования опорных сигналов, каждый из выходов которого соединен с соответствующим входом коммутатора.

Сущность изобретения заключается в такой организации структуры устройства, которая обеспечивает реализацию измерения концентрации CO₂ по поглощению ультразвука определенной частоты, позволяет производить градуировку, автоматическую калибровку и термостатирование.

Повышение точности измерения достигается за счет введения режима градуировки устройства по одной или нескольким газовым смесям с известной концентрацией CO₂. Наличие автоматической калибровки также приводит к повышению точности измерения, поскольку позволяет учитывать температурное и временное изменение параметров элементов схемы. Процедура калибровки основана на анализе структуры дыхания и осуществляется в течение фазы вдоха, когда содержание углекислого газа в измерительной камере равно нулю.

Введение термостатирования измерительной камеры, позволяющего исключить конденсацию влаги на поверхностях излучателя и отражателя ультразвука, также способствует повышению точности измерения концентрации.

Технико-медицинский эффект, который может быть получен при использовании изобретения - повышение достоверности диагностики состояния пациента за счет повышения точности измерения СО₂ в выдыхаемом воздухе.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства; на фиг.2 приведен вариант построения логарифмирующего преобразователя; на фиг. 3 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу логарифмирующего преобразователя; на фиг. 4 приведен вариант построения блока формирования опорных сигналов.

Устройство для измерения концентрации в выдыхаемом воздухе состоит из измерительной камеры 1, в которой расположен ультразвуковой излучатель 2, являющийся приемопередатчиком ультразвукового сигнала, с отражателем звукового сигнала, датчик температуры 3 и нагреватель 4; кроме этого, устройство содержит генератор импульсов 5, усилитель 6, ждущий мультивибратор 7, амплитудный детектор 8, логарифмирующий преобразователь 9, пороговую схему 10, вычислительную схему 11, блок термостатирования 12, блок индикации 13, коммутатор 14, цифроаналоговый преобразователь 15 и блок формирования опорных сигналов 16.

Первый выход генератора 5 соединен с ультразвуковым излучателем 2 и с первым входом усилителя 6, второй выход генератора 5 соединен со входом ждущего мультивибратора 7, выход которого подключен ко второму входу усилителя 6. Выход усилителя 6 соединен со входом амплитудного детектора 8, а выход последнего подсоединен к n-ому входу коммутатора 14.

Выход коммутатора 14 соединен с первым входом логарифмирующего преобразователя 9, выход которого соединен со входом пороговой схемы 10 и с первым входом вычислительной схемы, второй вход которой подключен к выходу пороговой схемы 10.

Датчик температуры 4 подключен ко входу блока термостатирования 12, первый выход указанного блока соединен с нагревателем 3, а второй выход - с третьим входом вычислительной схемы 11.

На четвертый вход вычислительной схемы 11 поступает сигнал, несущий информацию о номере градуировочной точки. На пятый вход вычислительной схемы поступает сигнал выбора режима "измерение"/"градуировка". Первый выход вычислительной схемы 11 соединен с управляющим входом логарифмирующего преобразователя 9 и пороговой схемы 10, второй выход - с блоком индикации. Третий выход вычислительной схемы 11 подключен ко входу цифроаналогового преобразователя 15, а четвертый выход - ко входу управления коммутатора. Выход цифроаналогового преобразователя 15 соединен со вторым входом логарифмирующего преобразователя 9 и со входом формирователя опорных сигналов 16, выходы которого соединены с п сигнальными входами коммутатора 14, где n=1, 2, 3...

Для упрощения описания работы устройства его схему структурно можно разбить на две части - измерительный тракт и устройство обработки. Измерительный тракт включает измерительную камеру 1 с расположенными внутри нее излучателем 2, отражателем ультразвукового сигнала, датчиком температуры 3 и нагревателем 4; генератор импульсов 5, усилитель 6, ждущий мультивибратор 7, амплитудный детектор 8 и блок термостатирования 12. Устройство обработки содержит логарифмирующий преобразователь 9, пороговое устройство 10, вычислительную схему 11, коммутатор 14, цифроаналоговый преобразователь 15 и блок формирования опорных сигналов 16.

Устройство работает в одном из двух режимов: режиме градуировки или рабочем режиме. Первый необходим для настройки выходных уровней напряжения блока формирования опорных сигналов 16 по ряду градуировочных газовых смесей с известным содержанием углекислого газа. В рабочем режиме происходит измерение концентрации углекислого газа. Значение концентрации С вычисляется из интерполяционного полинома, полученного в результате опроса опорных сигналов: C=f(N_CO2), (2) где N_CO2 - цифровой код, полученный вычислительной схемой 11 при измерении длины временного импульса логарифмирующего преобразователя 15 при подключении к нему измерительного тракта.

Измерительный тракт работает следующим образом.

Генератор импульсов 5 с некоторой периодичностью вырабатывает короткий импульс, заполненный частотой, близкой к релаксационной частоте СО₂ в данной газовой смеси. Ультразвуковой излучатель 2 преобразует этот импульс в акустические волны, которые распространяются в измерительной камере 1 и после отражения вновь преобразуются излучателем 2 в электрический сигнал, амплитуда которого равна: U = ψ•U_И•e^-α•^l, где ψ - коэффициент эхопреобразования излучателя; U_И - амплитуда излучаемого импульса; l - длина пути, проходимого ультразвуковым импульсом;
α - коэффициент поглощения выдыхаемого воздуха, α = α₀+α_co2,
где первое слагаемое характеризует поглощение ультразвука атмосферным воздухом (которое в основном обусловлено наличием кислорода и паров воды), а второе - поглощение, обусловленное присутствием углекислого газа. Второе слагаемое во время вдоха равно нулю, поскольку в измерительную камеру поступает атмосферный воздух.

Генератор 5 также формирует на втором своем выходе сигнал запуска ждущего мультивибратора 7, который открывает усилитель только на время действия отраженного импульса. Таким образом, амплитудный детектор выделяет амплитуду только отраженного импульса, и на n+1 входе коммутатора присутствует постоянный уровень напряжения, равный:

во время фазы вдоха,

во время фазы выдоха,
где K - коэффициент усиления усилителя.

Блок термостатирования 12 поддерживает при помощи датчика температуры 3 и нагревателя 4 температуру стенок измерительной камеры равной 37^oС для исключения конденсации влаги внутри нее. На выходе блока термостатирования вырабатывается сигнал, разрешающий работу вычислительной схемы при достижении поддерживаемой температуры.

Рассмотрим работу устройства в рабочем режиме, который предваряется рядом подготовительных операций. При включении питающего напряжения осуществляется прогрев измерительной камеры, после которого на третьем входе вычислительной схемы 11 появляется разрешающий сигнал от блока термостатирования 12. В дальнейшем управление осуществляется вычислительной схемой. При помощи коммутатора 14 сигнал измерительного тракта подается на первый вход логарифмирующего преобразователя 9, на второй вход которого поступает аналоговый сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 15. Вариант выполнения логарифмирующего преобразователя представлен на фиг.2, он содержит аналоговый компаратор, RC-цепочку и аналоговый ключ. При высоком уровне сигнала на управляющем входе логарифмирующего преобразователя аналоговый ключ замыкается и происходит зарядка конденсатора, при низком - конденсатор разряжается (фиг. 3). Постоянная времени заряда в несколько десятков раз превышает постоянную времени разряда, поскольку выходное сопротивление ЦАПа значительно меньше R. Вычислительная схема 11 инициирует преобразование, заряжая емкость до значения напряжения U₀ и измеряя время от момента начала разряда до равенства измерительного (U_x) и опорного напряжений. Можно показать, что это время определяется следующим образом:

где А - постоянная времени RC - цепочки.

Если на управляющем входе преобразователя постоянно установлен высокий уровень, то емкость не разряжается, и преобразователь работает как простой компаратор входных сигналов.

После подключения измерительного тракта к логарифмирующему преобразователю вычислительная схема производит калибровку. Подавая напряжение высокого уровня на управляющий вход логарифмирующего преобразователя "Запуск", она производит сравнение сигналов на первом и втором входах логарифмирующего преобразователя, и цифровой код на входе ЦАПа 15 подбирается так, чтобы напряжения на обоих входах логарифмирующего преобразователя сравнялись U₀=U_x. Поскольку измерительная камера не была подключена к дыхательным путям пациента и в ней еще не содержится углекислого газа, напряжение на выходе ЦАПа будет равно:

Далее вычислительная схема при помощи компаратора 14 производит опрос n градуировочных напряжений блока формирования опорных сигналов 16. Каждый уровень напряжения на выходе этого устройства получен из уровня напряжения на его входе (которое равно U₀) с некоторым коэффициентом деления, установленным при градуировке. Вариант построения блока формирования опорных сигналов приведен на фиг.4. Каждое из n опорных напряжений преобразуются логарифмирующим преобразователем в длительность импульса и запоминается вычислительной схемой.

После достижения измерительной камерой необходимой температуры и проведения калибровки пользователю при помощи блока индикаторов выводится информация о готовности устройства к измерению. Далее с некоторой дискретностью по времени происходит непосредственно измерение концентрации углекислого газа. Для этого вычислительная схема подключает измерительный канал, напряжение на котором равно

к первому входу логарифмирующего преобразователя, запускает преобразование и измеряет длительность полученного импульса. Числовой код, соответствующий измеренной длительности исходя из передаточной характеристики логарифмирующего преобразователя (3), будет равен:

Далее вычислительная схема рассчитывает значение концентрации с помощью интерполяционного полинома С=f(N_CO2), который построен по n+1 точкам (по результатам опроса n выходов блока формирования опорных сигналов и нулевой точке). Измеренные значения концентрации отображаются при помощи блока индикаторов 13.

В процессе работы устройства во время каждого вдоха при достижении минимума измеренной концентрации СО₂ снова производится калибровка, что позволяет исключить уход параметров элементов измерительного канала. Выделить текущую фазу дыхания позволяет пороговое устройство 10. Поскольку уровень напряжения U₀, подстраиваемый во время калибровки, является эталоном для блока формирования опорных сигналов (см. фиг.4), значения опорных сигналов изменяются, отражая уход параметров элементов схемы.

В режиме градуировки устройства предварительный нагрев камеры и калибровка происходят так же, как и в рабочем. Устройство градуируется по одной или нескольким газовым смесям, количество которых n выбирается исходя из необходимой точности измерения (чем больше n, тем выше достигаемая точность). Настройщик задает номер очередной градуировочной точки по четвертому входу измерительной схемы "Номер", подает в измерительную камеру смесь с определенной концентрацией углекислого газа и устанавливает соответствующее напряжение блока формирования опорных сигналов равным напряжению в измерительном тракте.

Таким образом, приведенная организация устройства позволяет исключить присущие прототипу недостатки благодаря автоматической калибровке в процессе измерения, введению режима градуировки по реальным газовым смесям с известной концентрацией СО₂ и введению термостатирования измерительной камеры.

Литература
1. Патент ГДР 216329, кл. G 01 N 29/02, 1984.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе, включающее измерительную камеру, соединенную с дыхательными путями пациента и содержащую ультразвуковой излучатель с отражателем звукового сигнала, датчик температуры и нагреватель, которые соединены соответственно с входом и первым выходом блока термостатирования, коммутатор, цифроаналоговый преобразователь, блок формирования опорных сигналов, генератор импульсов, первый выход которого подключен к ультразвуковому излучателю и первому входу усилителя, а второй - к ждущему мультивибратору, усилитель, второй вход которого соединен с выходом ждущего мультивибратора, амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом усилителя, логарифмирующий преобразователь, выход которого подсоединен к входу порогового устройства и к первому входу вычислительной схемы, второй вход этой схемы соединен с выходом порогового устройства, третий - с вторым выходом блока термостатирования, а четвертый и пятый использованы для управления режимом работы устройства и задания номера градуировочной точки, первый выход вычислительной схемы подключен к управляющему входу логарифмирующего преобразователя и управляющему входу порогового устройства, а второй - к входу блока индикаторов, при этом один из входов коммутатора соединен с выходом амплитудного детектора, управляющий вход коммутатора - с четвертым выходом вычислительной схемы, а выход - с первым входом логарифмирующего преобразователя, третий выход вычислительной схемы соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к второму входу логарифмирующего преобразователя и входу блока формирования опорных сигналов, каждый из выходов которого соединен с соответствующим входом коммутатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 05.07.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---