устройство для измерения параметров дыхательного газообмена

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЫХАТЕЛЬНОГО ГАЗООБМЕНА, содержащее датчик концентрации кислорода с чувствительным элементом, находящимся в контакте с нагревательным элементом, и регистрирующую систему, отличающееся тем, что оно снабжено электронно-оптической системой возбуждения, чувствительный элемент датчика концентрации кислорода выполнен в виде тонкой пластины из алюминия, на которую нанесен люминесцентный слой толщиной 10 20 мкм из оксидной пленки с введенными трисхелатными органическими комплексами металлов группы платины, а регистрирующая система содержит фотоприемник и датчик скорости воздушного потока, каждый из которых через блок усиления и преобразования соединен с процессором.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронно-оптическая система возбуждения выполнена в виде осветителя, соединенного со стабилизирующим устройством.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве трисхелатного органического комплекса металла группы пластины в оксидную пленку введен Ru(bpy)₃Ci₂.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве трисхелатного органического комплекса металла группы платины введен Ru(Ph₂Phen)₃Cl₂.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может быть использовано в системах функциональной диагностики внешнего дыхания и кровообращения и позволяет измерять мгновенные значения концентрации кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе и определять коэффициент использования кислорода организмом как минимум за один дыхательный цикл.

Известно устройство для измерения параметров газового обмена (заявка Японии N 63-21495, 1988, кл. А 61 В 5/08), содержащее датчик концентрации кислорода, функцию которого выполняет газоанализатор, и регистрирующую систему.

Однако это устройство не позволяет проследить за изменениями концентрации кислорода в течение одной фазы выдоха. Точность измеpений удовлетворяет предъявляемым требованиям, но время измерения при этом составляет не менее 5 с.

Известно также устройство для измерения интенсивности газообмена у людей и животных, содержащее датчик концентрации кислорода и регистрирующую систему. Концентрация кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе измеряется с помощью анализатора кислорода на твердом электролите с подогревом до необходимой температуры. Однако газоанализаторы этого типа обладают низким быстродействием, обусловленным механизмом диффузии кислорода в твердом электролите и не могут быть использованы для динамического контроля за концентрацией кислорода.

Цель изобретения создание устройства для измерения параметров дыхательного газообмена, например коэффициента использования кислорода, позволяющего измерять данный параметр в каждом дыхательном цикле, а также исследовать динамику изменения концентрации кислорода в фазе выдоха. При этом обеспечивается требуемая точность измерения, быстродействие, устраняется пневматическое сопротивление потоку воздуха при дыхании.

В основу работы устройства заложен принцип измерения концентрации газа по тушению люминесценции.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Устройство для измерения параметров дыхательного газообмена содержит датчик концентрации кислорода. Чувствительный элемент датчика выполнен в виде тонкой пластины из алюминия, на которую нанесен люминесцентный слой толщиной 10-20 мкм, что обеспечивает малое время диффузии кислорода в люминесцирующий слой, и, как следствие быстродействие датчика лучше, чем 0,2 с.

Люминесцентный слой состоит из оксидной пленки с введенными органическими комплексами металлов группы платины, что обусловлено значением их спектрально-люминесцентных характеристик. Органические комплексы металлов группы платины представляют собой металлоорганические соединения, молекулы которых включают атомы металла, органические фрагменты (лиганды) и противоионы.

Оптимальные результаты получаются, если в качестве органических комплексов металлов группы платины в оксидную пленку введены Ru(bpy)₃Cl₂ или Ru(Ph₂Phen)₃Cl₂, поскольку они по совокупности спектрально-люминесцентных и эколого-экономических характеристик удовлетворяют в большей степени, чем другие.

Конкретный органический комплекс выбирается в зависимости от диапазона измерения концентрации кислорода.

Датчик концентрации кислорода может быть расположен в корпусе и обращен люминесцентным слоем к электронно-оптической системе возбуждения и фотоприем- нику.

В непосредственном контакте с чувствительным элементом датчика концентрации кислорода находится нагревательный элемент, который способствует стабилизации характеристик чувствительного элемента и предотвращает его запотевание при контакте с выдыхаемым воздухом.

Электронно-оптическая система возбуждения может быть выполнена, в частности, в виде осветителя, соединенного со стабилизирующим устройством. В качестве осветителя можно использовать любую оптическую систему, способную вызвать люминесценцию. При выборе более совершенного осветителя с точки зрения стабильности излучения необходимость в стабилизирующем устройстве отпадает. Световой поток с длиной волны излучения ₁ направляется на поверхность чувствительного элемента датчика. Возбужденная этим световым потоком люминесценция ₂ воспринимается фотоприемником. Кроме фотоприемника в состав регистрирующей системы входят датчик скорости воздушного потока и процессор. Фотоприемник и датчик скорости воздушного потока соединены с процессором, в котором происходит обработка поступивших от них сигналов, через блоки усиления и преобразования в цифровую форму.

Такая компоновка прибора обеспечивает требуемую точность измерения и быстродействие. Устранению пневматического сопротивления потоку воздуха способствуют вышеописанные специфические особенности датчика.

Изобретение отличается от прототипа чувствительным элементом датчика, наличием электронно-оптической системы возбуждения и схемой построения регистрирующей системы.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для измерения параметров дыхательного газообмена.

В корпусе 1, через который проходят потоки вдыхаемого (направление А) и выдыхаемого воздуха (направление В), расположен датчик 2 концентрации кислорода с чувствительным элементом в виде алюминиевой пластины с люминесцентным слоем 3 толщиной 15 мкм. Люминесцентный слой 3 содержит оксидную пленку, в которую введены органические комплексы металлов группы платины, например Ru(bpy)₃Cl₂. Известно, что в выдыхаемом воздухе концентрация кислорода составляет 15% а в атмосферном 21% Экспериментально установлено, что для измерения концентрации кислорода в этом диапазоне оптимальными характеристиками обладает комплекс Ru(bpy)₃Cl₂. При изменении диапазона измерения концентрации кислорода, например, при исследованиях в барокамерах оптимальными характеристиками обладают комплексы металлов платиновой группы другого состава, например, Ru(Ph₂Phen)₃Cl₂.

Люминесцентное покрытие может быть изготовлено, например, в соответствии со способом изготовления индикаторного покрытия (з-ка N 4812470/25, 1990).

Датчик расположен в стенке корпуса таким образом, что он не оказывает сопротивления потоку воздуха.

С чувствительным элементом датчика 2 в непосредственном контакте находится нагревательный элемент, состоящий из нагревателя 4, например нихромовой спирали, и управляющего устройства 5, например регулятора температуры Ш 4524. Благодаря нагревательному элементу чувствительный элемент датчика поддерживается с точностью 0,5^оС в диапазоне температур 35-40^оС. На противоположной стороне корпуса расположена электронно-оптическая система возбуждения и регистрирующая система. Электронно-оптическая система возбуждения содержит осветитель 6, например лампу накаливания, и стабилизирующее устройство 7, например, Б5-49.

Регистрирующая система содержит фотоприемник 8, например, ФЭУ-68, блоки 9 и 10 усиления и преобразования информации в цифровую форму соответ- ственно, например, АЦП-14, процессор 11, например, на базе DВК-2, и датчик 12 скорости воздушного потока, например, пневмотаховалюметр ПТ03-01. Он установлен непосредственно за датчиком концентрации кислорода.

Возможно и другое конструктивное выполнение устройства, например, осветительную систему и фотоприемник можно разместить в отдельном корпусе, который соединить световодами с корпусом датчика.

Устройство работает следующим образом.

Световой поток с длиной волны излучения соответствующей полосе поглощения использованного в чувствительном элементе датчика люминесцентного слоя (например, 450 нм для люминесцентного слоя Ru(bpy)₃Cl₂) направляется от осветителя 6 на чувствительный элемент датчика 2 с люминесцентным слоем 3. Интенсивность этого потока стабилизирована с помощью устройства 5. Возбужденная световым потоком люминесценция с длиной волны излучения 650 нм и интенсивностью I(t), зависящей от концентрации кислорода над слоем 3, воспринимается фотоприемником 8, электрический сигнал от которого через блок 9 направляется в процессор 11. Сигнал от датчика скорости воздушного потока 12 через блок 10, также поступает в процессор.

Обработка поступивших в процессор сигналов происходит в несколько этапов. На первом по измеренным значениям I(t) и величине константы тушения К, определенной предварительно при калибровке чувствительного элемента датчика с покрытием, в соответствии с уравнением Штерна-Фольмера находятся мгновенные значения концентрации кислорода в потоке выдыхаемого воздуха

P(t) 1 где t текущее время.

Далее вычисляется разность между значением концентрации кислорода в поступающем к пациенту воздухе Р₀ и ее значениями в выдыхаемом воздухе P(t)

P P₀ P(t). И, наконец, с учетом скорости воздушного потока V, измеренной с помощью датчика 12, определяется величина использованного в процессе дыхания кислорода

Q P(t)V(t)Sdt где t₁, t₂ моменты времени, соответствующие началу и окончанию выдоха;

S площадь поперечного сечения воздушного потока.

Мгновенные значения концентрации кислорода в потоке выдыхаемого пациентом воздуха могут быть представлены графически в виде кислородной барограммы дыхательного цикла на дисплее и одновременным вычислением коэффициента использования кислорода организмом.

Предложенное устройство позволяет проводить измерения параметров дыхательного газообмена, в частности коэффициента использования кислорода в каждом дыхательном цикле, а также исследовать динамику изменения концентрации кислорода в фазе выдоха. Точность измерений не хуже 2% быстродействие 0,1 с, практически отсутствует пневматическое сопротивление потоку воздуха при дыхании.