тренажер для отработки дыхания

Формула изобретения

1. ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОТРАБОТКИ ДЫХАНИЯ, содержащий датчики объема живота и объема грудной клетки, соединенные через усилители соответственно с первым и вторым аналого-цифровыми преобразователями, а также индикаторы объема живота и объема грудной клетки и генератор тактовой частоты, отличающийся тем, что он содержит датчик потока воздуха, третий усилитель, третий аналого-цифровой преобразователь, преобразователь код частота и источник звука, соединенные последовательно, а также пять компараторов, блок установки порогов, блок принятия решений, индикатор ошибки и блоки счета правильных дыханий и общего числа дыханий, соединенные с соответствующими блоками индикации, причем первый и второй компараторы подключены к усилителю сигнала объема живота, третий к усилителю сигнала объема грудной клетки, четвертый и пятый к усилителю сигнала потока воздуха, а выходы компараторов подключены к соответствующим входам блока принятия решения, кодовый выход которого соединен с индикатором ошибки, а другой выход с блоком счета числа правильных дыханий, а выход четвертого компаратора подключен к блоку счета общего числа дыханий, выходы блока установки порогов соединены со вторым входами компараторов, выходы генератора тактовых импульсов соединены с тактовыми входами аналого-цифровых преобразователей, блока принятия решений, преобразователя код-частота, блоков счета общего числа дыханий и счета числа правильных дыханий, а выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей через дешифраторы соединены с входами соответствующих индикаторов объема живота и объема грудной клетки.

2. Тренажер по п.1, отличающийся тем, что блок принятия решения содержит четырехразрядный дешифратор, три элемента ИЛИ, два элемента НЕ, пять элементов И, два RS-триггера и D-триггер, причем первый вход блока является входом первого элемента НЕ, выход которого подключен к одному входу первого элемента И, другой вход которого является вторым входом блока, а выход подсоединен к входу разрешения работы четырехразрядного дешифратора, кодовый выход которого является выходом блока принятия решений, третий вход которого подключен к входу данных дешифратора, соответствующих младшему разряду, и к одному входу первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к одному входу второго элемента И, другой вход которого подключен к выходу первого элемента И, а выход через второй элемент ИЛИ связан с R-входом первого RS-триггера, S-вход которого соединен с вторым входом блока принятия решений, а прямой выход подключен к D-входу D-триггера, счетный вход которого по заднему фронту подключен к второму входу блока, R-вход через третий элемент И соединен с инверсным выходом первого RS-триггера, а выход соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и является выходом блока принятия решений, четвертый вход блока принятия решений соединен с одним входом четвертого элемента И, выход которого через третий элемент ИЛИ подключен к входу данных дешифратора, соответствующих старшему разряду, и к другому входу первого элемента ИЛИ, пятый вход блока подключен через второй элемент НЕ к одному входу пятого элемента И, выход которого подсоединен к другому входу третьего элемента ИЛИ, первый и второй входы блока принятия решений подключены соответственно к R-входу и S-входу второго RS-триггера, прямой выход которого подключен к другому входу четвертого элемента И, а инверсный выход к другому входу пятого элемента И.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано для лечения и профилактики заболеваний бронхолегочного аппарата.

Известен тренажер для отработки брюшного дыхания, состоящий из датчиков объема грудной клетки и объема живота, усилителей сигналов с датчиков, аналого-цифровых преобразователей и индикаторов текущего изменения объемов живота и грудной клетки в виде линейных шкал [1] Этот тренажер позволяет индицировать изменение объемов живота и грудной клетки во время акта дыхания и, следовательно, дает возможность пациенту оперативно корректировать дыхание. Однако как первый, так и второй тренажеры не выявляют существенной ошибки, которая может возникнуть у пациента в процессе отработки брюшного дыхания. Связана ошибка с тем, что мышцы живота могут сокращаться пациентом произвольно вне зависимости от акта дыхания. Вследствие этого возможно рассогласование (отставание по фазе) движения брюшной стенки и реального потока воздуха через дыхательные пути. Это приводит к выработке неправильного дыхания.

Основной задачей изобретения является достижение синхронизации движений брюшной и грудной стенок с реальными вдохом и выдохом, т.е. с потоком воздуха, проходящим через дыхательные пути. Это позволяет выработать правильное брюшное дыхание за более короткий срок, чем известные решения.

Для решения поставленной задачи известный тренажер для отработки брюшного дыхания, содержащий датчики объемов грудной клетки и живота, усилители, аналого-цифровые преобразователи, индикаторы текущего изменения объемов в виде линейных шкал и генератор тактовых импульсов, дополнительно снабжен датчиком потока воздуха через дыхательные пути, усилителем, аналого-цифровым преобразователем, преобразователем код частота и источником звука. На выходе каждого из усилителей подключены компараторы, другие входы которых подключены к блоку установки порогов, а выходы подсоединены к блоку принятия решения, выход которого подсоединен к индикатору ошибки. Тренажер также содержит счетчики общего числа дыханий и правильных дыханий с цифровыми индикаторами, причем вход счетчика общего числа дыханий соединен с компаратором в канале обработки сигнала потока воздуха, а вход счетчика правильных дыханий связан с другим выходом блока принятия решения.

Основной функцией блока принятия решения является сравнение сигналов на выходах компараторов и выработка сигнала о правильности дыхания при совпадении по фазе сигналов в каналах объема живота и потока воздуха и при отсутствии сигнала с грудной клетки, а в остальных случаях выработка кода ошибки в зависимости от наличия грудного дыхания или рассог- ласования по фазе движения брюшной стенки и потока воздуха через дыхательные пути. Блок принятия решения может быть выполнен в виде четырехразрядного дешифратора, вход разрешения работы которого подключен к компараторам сигнала объема живота через коммутирующие элементы, а входы данных соединены с компараторами сигналов грудной клетки и потока воздуха также через коммутирующие элементы, и первого RS-триггера и D-триггера, выход которого подключен к счетчику правильных дыханий. Коммутирующими элементами являются три элемента ИЛИ, два элемента НЕ, пять элементов И и второй RS-триггер.

Наличие датчика потока воздуха через дыхательные пути с усилителем и преобразователем величины сигнала в высоту тона с источником звука позволяет вырабатывать брюшное дыхание, согласованное с потоком воздуха. Одновременная взаимная обработка сигналов от всех трех датчиков в блоке принятия решения в реальном времени дает возможность врачу отслеживать ошибки, совершаемые пациентом в процессе отработки, и своевременно их корректировать, а счетчики общего числа дыханий и правильных дыханий позволяют оценить степень тренированности пациента и соответственно дают возможность объективно судить об обучаемости каждого пациента и своевременно заканчивать курс обучения.

На фиг. 1 дана функциональная схема тренажера; на фиг.2 функциональная схема блока принятия решения.

Тренажер содержит датчики объема живота 1, объема грудной клетки 2, потока воздуха через дыхательные пути 3, усилители 4, 5 и 6, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 7, 8 и 9, блоки 10 и 11 дешифрации, линейные индикаторы 12 и 13, преобразователь код частота 14, источник 15 звука, компараторы 16, 17, 18, 19 и 20, блок 21 установки порогов, блок 22 принятия решения, первый блок 23 счета и первый блок 24 индикации, второй блок счета 25 и второй блок индикации 26, индикатор 27 ошибки и генератор 28 тактовых импульсов (ГТИ).

Блок 22 принятия решения, в свою очередь, содержит первый элемент НЕ 29, первый элемент И 30 первый элемент ИЛИ 31, второй элемент И 32, второй элемент ИЛИ 33, первый RS-триггер 34, третий элемент И 35, D-триггер 36, четвертый элемент И 37, пятый элемент И 38, третий элемент ИЛИ 39, второй RS-триггер 40, второй элемент НЕ 41, и четырехразрядный дешифратор 42.

Устройство работает следующим образом. Сигналы снимаются с датчиков 1, 2 и 3. Датчики 1 и 2 объема живота и грудной клетки могут быть выполнены в виде пьезоэлектрического датчика, к которому при изменении объема прикладывается изгибающее усилие, за счет чего на его выходе возникает электрический сигнал. Датчик 3 потока воздуха выполнен в виде температурного датчика, установленного в зоне потока выдыхаемого и вдыхаемого воздуха. После усиления сигналы с датчиков подаются на АЦП 7, 8 и 9, которые могут быть выполнены по стандартной схеме прямого перебора, где преобразуются в цифровую форму. Тактовая частота, необходимая для работы АЦП, подается с ГТИ 28. Коды, соответствующие величинам аналоговых сигналов, через блоки 10 и 11 дешифрации поступают на линейные индикаторы 12 и 13, которые могут представлять собой линейки из 10 светодиодов. В соответствии с этим при движении живота изменяется величина столбика горящих светодиодов на индикаторе 12, а при движении грудной клетки на индикаторе 13. Задача пациента состоит в том, чтобы при вдохе добиться максимальной величины столбика на индикаторе 12 при отсутствии загорания светодиодов на индикаторе 13. Код, соответствующий величине, обратной температуре нагрева датчика 3 потока воздуха, поступает на преобразователь 14 код частота, который может быть выполнен на базе счетчика с предустановкой. При вдохе температура датчика 3 понижается, частота импульсов на выходе преобразователя 14 повышается. Источник 15 звука в виде пьезокерамического звонка, например, реагирует на это изменением высоты тона. Задача пациента добиться синхронного изменения высоты горящего столбика на индикаторе 12 и высоты тона звука источника 15.

Сигналы с выходов усилителей 4, 5 и 6 поступают также на входы компараторов 16-20, на вторые входы которых поданы напряжения порогов с блока 21 установки порогов. Пороги равны 0,3 нижний и 0,7 верхний, заданы заранее от такой величины сигнала на выходе усилителя, при которой горят все 10 светодиодов на индикаторе. Для калибровки этого сигнала каждому пациенту предварительно предлагают сделать максимальный вдох животом, затем грудью, ручками "усиление" регулируя сигнал на выходе усилителей до загорания всех 10 светодиодов. Таким образом, сигнал уровня логической "1" появляется на выходах компараторов 17, 18 и 20 при повышении сигнала с выхода усилителей 4, 5 и 6 уровня 0,3 от минимального, а на выходе компараторов 16 и 19 уровня 0,7 от максимального. Сигнал с выхода компаратора 19 поступает на вход блока 23 счета общего числа дыханий. Блок 23 состоит из двух двоично-десятичных счетчиков, которые один раз в минуту устанавливаются в "0" сигналом, подаваемым от ГТИ 28. Этим же сигналом информация из блока 23 переписывается в блок 24 индикации общего числа дыханий, состоящий из двух регистров-дешифраторов и двух светодиодных семисегментных индикаторов.

Сигналы с компараторов 16-20 поступают также на 1-5 входы блока 22 принятия решения, определяющего правильность дыхания и дифференцирующего ошибку. При правильном дыхании в конце каждого цикла дыхания блок 22 принятия решения вырабатывает импульс, поступающий в блок счета 25 и далее на блок индикации 26. Блоки 25 и 26 построены аналогично блокам 23 и 24. Кроме того, на кодовом выходе блока 22 принятия решения вырабатываются сигналы "Ошибка" и "Верно" в соответствии с таблицей. Эти сигналы поступают на индикатор 27 ошибки.

Из таблицы видно, что алгоритм работы блока 22 принятия решения выработан исходя из предпосылки, что пациент двигает брюшной стенкой с достаточной амплитудой. Правильность движения брюшной стенки легко отслеживать по линейному индикатору 12.

Верное дыхание фиксируется при вдохе при отсутствии движения грудной клетки. Вторым условием при этом является превышение сигналом потока воздуха с усилителя 6 нижнего порога (неважно, будет этот сигнал при этом выше или ниже верхнего порога).

Если при наличии сигнала потока воздуха (на выходе компаратора 20 уровень логической "1") происходит движение грудной клетки (на выходе компаратора 18 уровень логической "1") высвечивается "Ошибка 1".

Если при отсутствии движения грудной клетки (на выходе компаратора 18 уровень логического "0") отсутствует поток воздуха (на выходах компараторов 19 и 20 уровень логического "0") "Ошибка 2".

Если при отсутствии потока воздуха есть и движение грудной стенки "Ошибка 3".

При выдохе алгоритм строится аналогично, за исключением того, что при правильном дыхании сигнал на выходе компаратора 19 должен быть равен логическому "0" (при "1" или "0" на выходе компаратора 20).

Блок 22 принятия решения работает следующим образом. Код ошибки вырабатывается четырехразрядным дешифратором 42 в моменты времени, когда на входе разрешения работы уровень логической "1". Первый элемент НЕ 29 и первый элемент И 30 служат для выработки сигнала разрешения из сигналов на входах 1 и 2 блока 22. Если в этот момент времени на входах данных D₀ и D₁ дешифратора 42 логические "0", то на выходе первого разряда появляется сигнал логической "1", который зажигает в индикаторе 27 ошибки сигнал "Верно". Сигнал на вход D₀ дешифратора 42 подан напрямую с компаратора 18 грудной стенки, а на вход D₁ подается сигнал либо с компаратора 19, либо с компаратора 20 в зависимости от фазы дыхания "Вдох" или "Выдох". Сигнал с компаратора 19 подается на один вход четвертого элемента И 37, а с компаратора 20 на один вход пятого элемента И 38 через второй элемент НЕ 41. На другие входы элементов И 37 и 38 поданы сигналы с RS-триггера 40 прямого и инверсного выходов. Тогда на выходе элемента И 37 имеется сигнал логический "0" при вдохе и выдохе (при правильном дыхании), а на выходе элемента И 38 логический "0" (при правильном дыхании). В результате на входе D₁ при правильном дыхании в моменты разрешения работы дешифратора 42 сигнал равен "0". И на выходе первого разряда за цикл дыхания два раза появляется сигнал логической "1". На индикаторе 27 ошибки два раза за цикл дыхания загорается сигнал "Верно". Если в процессе дыхания возникают ошибки, они в реальном времени отслеживаются блоком 22 принятия решения. Если при движении грудной клетки сигнал на выходе компаратора 18 равен логической "1", то появление логической "1" на входе D₀ дешифратора 42 (при логическом "0" на его входе D₁) вызовет появление уровня логической "1" на его выходе второго разряда). Если будет неверное выполнение вдоха (выдоха) воздуха, фиксируемое датчиком 3 потока воздуха, то на входе D₁ появится уровень логической "1" (при логическом "0" на входе D₀) и соответственно появится уровень логической "1" на выходе дешифратора 42 (его третьего разряда). Неверное же выполнение движения грудью с одновременным неправильным вдохом приводит к появлению логической "1" как на входе D₀, так и на входе D₁, что влечет появление логической "1" на выходе четвертого разряда дешифратора 42.

В одном цикле дыхания в зависимости от значений сигналов, снимаемых с датчиков 1-3, могут индицироваться и моменты правильного дыхания и моменты ошибок, причем всех трех видов. Поэтому при счете правильных дыханий необходимо принимать решение о правильности выполненного дыхания лишь в конце цикла дыхания, при условии, что не было ни одной ошибки.

Для интегральной оценки правильности выполненного дыхания служит первый RS-триггер 34. По положительному фронту сигнала, поступающего с компаратора 17, что соответствует началу вдоха, триггер 34 устанавливается в состояние логической "1", что соответствует правильно выполненному дыханию. Если во время выполнения дыхания возникла хоть один раз любая ошибка, т.е. либо на D0, либо на D1 уровень логической "1", то в момент ее возникновения на выходе первого элемента ИЛИ 31 появится уровень логической "1". Если ошибка произошла во время работы дешифратора 42, то этот уровень пройдет на выход второго элемента И 32, что обеспечено подачей на его второй вход сигнала с выхода первого элемента И 30. Этот уровень пройдет через второй элемент ИЛИ 33 и сбросит в "0" RS-триггер 34. По отрицательному фронту импульса, приходящего с компаратора 17, что соответствует окончанию выдоха, информация из RS-триггера 34 перепишется в D-триггер 36 и, если дыхание было правильным, на его выходе будет уровень логической "1". Этот сигнал через второй элемент ИЛИ 33 сбросит RS-триггер 34. На его инверсном выходе появится уровень логической "1", который разрешит прохождение через третий элемент И 35 импульсов высокой частоты от ГТИ 28 на вход сброса D-триггера 36. Таким образом, в случае правильного дыхания в течение всего цикла на выходе D-триггера 36 будет сформирован одиночный импульс в момент окончания выдоха. При наличии хотя бы одной ошибки во время дыхания такой импульс не появится.

Работа с тренажером осуществляется следующим образом. После калибровки усиления, как было сказано выше, пациенту предлагается выполнить несколько циклов дыхания животом под контролем врача. При этом, если дыхание выполняется правильно, на линейном индикаторе 13 загорается 1-2 светодиода за счет наполнения легких воздухом. Ручкой "Усиление" усилителя 5 уменьшают усиление этого усилителя так, чтобы загорание светодиодов не происходило. Это необходимо для устранения помех пациенту при дыхании.

В дальнейшем ему предлагается дышать животом, отслеживая изменения величины столбика горящих светодиодов на линейном индикаторе 12 и высоту тона источника звука 15.

Индикатор 27 ошибки обращен к врачу так же, как и блоки 24 и 26 индикации общего числа дыханий и числа правильных дыханий за минуту. Один сеанс длится 15-20 мин, чтобы не вызывать утомления пациента. Такие сеансы проводятся ежедневно. Критерием окончания обучения является 95-100 процентов правильных дыханий за минуту.

По сравнению с прототипом предлагаемый тренажер имеет ряд преимуществ. При проведении электрофизиологических исследований во время обучения пациентов брюшному дыханию на прототипе нами было обнаружено рассогласование между потоком выдыхаемого воздуха и движениями живота. Поэтому в процессе обучения пациент мог вырабатывать неправильное дыхание. В предлагаемом тренажере правильным будет считаться такое дыхание, при котором пациент достигает полной синхронизации между потоком выдыхаемого воздуха и движением живота, и поэтому вырабатывается правильный брюшной тип дыхания. Тренажер определяет количество правильно выполненных дыханий по отношению к их общему числу за минуту, что позволяет врачу до начала обучения определить процент правильных дыханий, наблюдать за динамикой этого показателя в процессе обучения и определить время окончания обучения (когда пациент будет добиваться высокого процента правильных дыханий) и таким образом точно дозировать длительность тренировок для каждого пациента индивидуально. Тренажер дифференцирует ошибку при выполнении дыхательных движений. Во время тренировки врач может отслеживать эту ошибку и своевременно корректировать дыхание пациента.