eng
Выпуск #6/2001
С.Вихров, В.Курышев, А.Михеев.
УЗ-анализатор концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе
УЗ-анализатор концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе
Просмотры: 4215
Сегодня в различных областях медицины существует острая потребность в капнографах – приборах для измерения концентрации углекислого газа в выдыхаемой человеком газовой смеси. Основные сферы их применения – функциональная диагностика (выявление патологических состояний легких и бронхов, сердечно-сосудистой системы пациента), анестезиология и реанимация (контроль функционирования организма в ходе операции или в послеоперационный период). Отечественными производителями пока еще не освоено серийное производство капнографов, а стоимость зарубежных достигает 2–5 тыс. долл., поэтому оснащенность ими медицинских учреждений оставляет желать лучшего. В этих условиях освоение производства относительно недорогих анализаторов СО2 в выдыхаемом воздухе – одно из перспективных направлений развития отечественного медицинского приборостроения.
Принцип действия капнографов зарубежных фирм и немногих отечественных разработок основан на бездисперсионном поглощении ИК-излучения (ИК-абсорбционный метод). Реализация этого метода сопряжена с рядом технологических трудностей – изготовление и настройка оптической схемы, необходимость исключения погрешностей показаний датчика ИК-излучения, связанных с его зависимостью от температуры, водяного пара и т.п. Все это обуславливает высокую стоимость капнографов. В качестве альтернативного способа измерения предложено использовать метод, основанный на определении коэффициента поглощения газовой средой, содержащей СО2, УЗ-излучения. В этом случае оптическая схема не нужна, благодаря чему существенно упрощается конструкция измерительной камеры и снижается стоимость устройства.
Метод основан на том известном факте, что коэффициенты поглощения ультразвука углекислым газом и атмосферным воздухом значительно различаются (например, коэффициент УЗ-поглощения углекислого газа на частоте 300 кГц приблизительно в 25 раз больше, чем у атмосферного воздуха [1]). Поэтому даже незначительное замещение в выдыхаемом воздухе кислорода углекислым газом вызывает ощутимое изменение коэффициента поглощения всей газовой смеси. С помощью математического аппарата линейной и молекулярной акустики можно показать, что суммарный коэффициент поглощения выдыхаемым воздухом ультразвука определенной частоты состоит из двух составляющих:
...
где aв – коэффициент поглощения атмосферного воздуха, aх – его приращение, пропорциональное содержанию СО2. Таким образом, измеряя величину ax, можно определить концентрацию углекислого газа Сx в выдыхаемом воздухе.
Проточный (измеряющий концентрацию непосредственно на выходе дыхательных путей пациента) абсорбционный УЗ-анализатор концентрации СО2 в выдыхаемом воздухе можно разбить на два основных узла – измерительный тракт и тракт обработки данных (см. рис.). В измерительный тракт входит измерительная камера с пьезодатчиком, отражателем УЗ-сигнала, датчиком температуры и нагревателем. Кроме того, измерительный тракт содержит генератор импульсов, усилитель, электронный ключ, пиковый детектор и блок термостатирования. В тракт обработки данных входят логарифмирующий преобразователь, микроконтроллер, блок индикаторов, ЦАП и источник опорного напряжения (ИОН).
Генератор измерительного тракта с некоторой периодичностью вырабатывает импульсы, преобразуемые пьезодатчиком в акустические волны, которые возвращаются отражателем на пьезодатчик и преобразуются в электрический сигнал, поступающий на усилитель. При приеме усилителем отраженного сигнала микроконтроллер замыкает электронный ключ. В результате пиковый детектор выделяет амплитуду только усиленного отраженного сигнала и напряжение на его выходе равно
...
где Uизл – амплитуда излучаемого импульса, l – расстояние между пьезодатчиком и отражателем и K – коэффициент передачи измерительного тракта.
Для поддержания одинаковых температурных условий измерения и исключения конденсации влаги на поверхности пьезодатчика блок термостатирования при помощи датчика температуры и нагревателя поддерживает температуру стенок измерительной камеры, равной 39°С.
Тракт обработки данных по величине выходного напряжения Ux вычисляет концентрацию СО2. Чтобы преобразовать экспоненциальную зависимость детектируемого напряжения Ux от коэффициента поглощения в линейную, в схему введен логарифмирующий преобразователь, длительность импульса Tx на выходе которого равна
...
где t – постоянная времени преобразователя и U0 – постоянное напряжение, соответствующее нулевой концентрации СО2.
Процедура преобразования инициируется микроконтроллером, после чего длительность полученного импульса Tx преобразуется в числовой код. Длительность импульса пропорциональна величине aх, только если U0 соответствует поглощению в отсутствии СО2 в атмосферном воздухе, т.е. значению выходного напряжения после "установки нуля". Для выполнения этого условия микроконтроллер в момент отсутствия в измерительной камере выдыхаемой смеси подключает к входу преобразователя измерительный тракт (предполагается, что в этом случае содержание СО2 в атмосферном воздухе равно нулю) и при помощи ЦАП подбирает значение U0, равным напряжению измерительного тракта:
...
Несложно показать, что в этом случае после подключения измерительного тракта длительность импульса, получаемого при наполнении измерительной камеры атмосферным воздухом, равна нулю, а при выдохе – прямо пропорциональна величине aх :
...
Для линеаризации зависимости приращения коэффициента поглощения УЗ-излучения углекислым газом aх от его концентрации Сх проводится градуировка устройства. В процессе градуировки газовая смесь, имитирующая состав выдыхаемого воздуха с известной концентрацией углекислого газа Cn, закачивается в измерительную камеру, после чего напряжение на выходе ИОН настраивается равным напряжению измерительного тракта. ИОН представляет собой прецизионный делитель напряжения, нагруженный на выход ЦАП с напряжением U0, поэтому значения напряжения на его выходе – результат деления U0 на некоторый постоянный коэффициент.
Напряжение на выходе ИОН с помощью коммутатора подается на логарифмический преобразователь, на выходе которого формируется импульс длительностью Tn = tan (an – приращение коэффициента поглощения поверочной газовой смеси). Значение длительности, в свою очередь, преобразуется в код, хранимый в памяти микроконтроллера.
В рабочем режиме концентрация углекислого газа Сx вычисляется следующим образом:
...
Измеренные значения концентрации отображаются блоком индикаторов.
В процессе работы устройства во время каждого вдоха после наполнения измерительной камеры атмосферным воздухом повторно "устанавливается нуль", что позволяет учесть уход параметров измерительного канала и изменение внешних условий. Текущая фаза дыхания выделяется путем анализа формы кривой капнограммы в реальном времени. Кроме того, для коррекции ухода параметров элементов схемы периодически опрашивается выход ИОН. Поскольку напряжение U0 отражает изменение коэффициента поглощения воздуха и одновременно служит эталоном для ИОН, после каждой "установки нуля" значение выходного напряжения ИОН изменяется, т.е. корректируется передаточная характеристика всего прибора.
Изготовлен макет анализатора углекислого газа в выдыхаемом воздухе, предназначенного для использования в функциональной диагностике. Измерительная камера (внутренний объем ~1 см3) размещена внутри фторопластового цилиндрического корпуса и соединена с электронным блоком гибким кабелем. При проведении измерений к корпусу измерительной камеры для надежного контакта с дыхательными путями пациента присоединяется резиновая маска.
Для детального анализа капнограммы УЗ-анализатор можно подсоединить к ПК. Предусмотрена также возможность записи капнограмм в энергонезависимую память. Анализатор имеет следующие характеристики:
Диапазон измеряемых концентраций СО2, % об. доли 0–9,9
Относительная погрешность, % от измеряемой величины не более 5*
Время измерения, мс 10
Потребляемая мощность, Вт не более 4
Связь с ЭВМ через RS–232
Габаритные размеры, мм:
устройство индикации и управления 170х100х35
измерительная камера 85х30
блок питания 120х90х55
Масса, кг:
устройство индикации и управления 0,4
измерительная камера с дыхательной маской 0,15
*Приведенное значение погрешности измерения гарантировано для диапазона атмосферного давления 760±38 мм рт. ст. и температуры 10... 35°С.
Погрешность главным образом связана с изменениями атмосферного давления. С помощью встроенного датчика атмосферного давления или ручного ввода его значения и последующей коррекции она может быть снижена до 2 %. Тем не менее, по величине погрешности измерения прибор не уступает малогабаритным капнографам зарубежного производства, основанным на ИК-абсорбционном методе. При этом время измерения концентрации УЗ-анализатором гораздо меньше, чем у зарубежных анализаторов, что позволяет реализовать более высокую частоту опроса и, следовательно, обеспечить более качественный анализ капнограмм. Наиболее близкий по своим функциям УЗ-анализатор – малогабаритный проточный капнограф Tidal Wave фирмы Novametrix (США) [4], позволяющий определять концентрацию СО2 в диапазоне 0–10 % об. доли с погрешностью не хуже 5 %. Время измерения его равно 60 мс.
Испытания макета УЗ-анализатора в отделении функциональной диагностики областной клинической больницы Рязани подтвердили возможность применения прибора в медицинской практике.
Литература
1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия/Под ред. И. П. Голямина. –М.: Советская энциклопедия, 1979.
2. Красильников В.А., Крылов В. В. Введение в физическую акустику. –М.: Наука, 1984.
3. Курышев В.В. Экспериментальное определение акустических параметров выдыхаемого воздуха. – Вестник Рязанской Государственной радиотехнической академии, 2001, вып. 8.
4. www.novametrix.com/products/
Метод основан на том известном факте, что коэффициенты поглощения ультразвука углекислым газом и атмосферным воздухом значительно различаются (например, коэффициент УЗ-поглощения углекислого газа на частоте 300 кГц приблизительно в 25 раз больше, чем у атмосферного воздуха [1]). Поэтому даже незначительное замещение в выдыхаемом воздухе кислорода углекислым газом вызывает ощутимое изменение коэффициента поглощения всей газовой смеси. С помощью математического аппарата линейной и молекулярной акустики можно показать, что суммарный коэффициент поглощения выдыхаемым воздухом ультразвука определенной частоты состоит из двух составляющих:
...
где aв – коэффициент поглощения атмосферного воздуха, aх – его приращение, пропорциональное содержанию СО2. Таким образом, измеряя величину ax, можно определить концентрацию углекислого газа Сx в выдыхаемом воздухе.
Проточный (измеряющий концентрацию непосредственно на выходе дыхательных путей пациента) абсорбционный УЗ-анализатор концентрации СО2 в выдыхаемом воздухе можно разбить на два основных узла – измерительный тракт и тракт обработки данных (см. рис.). В измерительный тракт входит измерительная камера с пьезодатчиком, отражателем УЗ-сигнала, датчиком температуры и нагревателем. Кроме того, измерительный тракт содержит генератор импульсов, усилитель, электронный ключ, пиковый детектор и блок термостатирования. В тракт обработки данных входят логарифмирующий преобразователь, микроконтроллер, блок индикаторов, ЦАП и источник опорного напряжения (ИОН).
Генератор измерительного тракта с некоторой периодичностью вырабатывает импульсы, преобразуемые пьезодатчиком в акустические волны, которые возвращаются отражателем на пьезодатчик и преобразуются в электрический сигнал, поступающий на усилитель. При приеме усилителем отраженного сигнала микроконтроллер замыкает электронный ключ. В результате пиковый детектор выделяет амплитуду только усиленного отраженного сигнала и напряжение на его выходе равно
...
где Uизл – амплитуда излучаемого импульса, l – расстояние между пьезодатчиком и отражателем и K – коэффициент передачи измерительного тракта.
Для поддержания одинаковых температурных условий измерения и исключения конденсации влаги на поверхности пьезодатчика блок термостатирования при помощи датчика температуры и нагревателя поддерживает температуру стенок измерительной камеры, равной 39°С.
Тракт обработки данных по величине выходного напряжения Ux вычисляет концентрацию СО2. Чтобы преобразовать экспоненциальную зависимость детектируемого напряжения Ux от коэффициента поглощения в линейную, в схему введен логарифмирующий преобразователь, длительность импульса Tx на выходе которого равна
...
где t – постоянная времени преобразователя и U0 – постоянное напряжение, соответствующее нулевой концентрации СО2.
Процедура преобразования инициируется микроконтроллером, после чего длительность полученного импульса Tx преобразуется в числовой код. Длительность импульса пропорциональна величине aх, только если U0 соответствует поглощению в отсутствии СО2 в атмосферном воздухе, т.е. значению выходного напряжения после "установки нуля". Для выполнения этого условия микроконтроллер в момент отсутствия в измерительной камере выдыхаемой смеси подключает к входу преобразователя измерительный тракт (предполагается, что в этом случае содержание СО2 в атмосферном воздухе равно нулю) и при помощи ЦАП подбирает значение U0, равным напряжению измерительного тракта:
...
Несложно показать, что в этом случае после подключения измерительного тракта длительность импульса, получаемого при наполнении измерительной камеры атмосферным воздухом, равна нулю, а при выдохе – прямо пропорциональна величине aх :
...
Для линеаризации зависимости приращения коэффициента поглощения УЗ-излучения углекислым газом aх от его концентрации Сх проводится градуировка устройства. В процессе градуировки газовая смесь, имитирующая состав выдыхаемого воздуха с известной концентрацией углекислого газа Cn, закачивается в измерительную камеру, после чего напряжение на выходе ИОН настраивается равным напряжению измерительного тракта. ИОН представляет собой прецизионный делитель напряжения, нагруженный на выход ЦАП с напряжением U0, поэтому значения напряжения на его выходе – результат деления U0 на некоторый постоянный коэффициент.
Напряжение на выходе ИОН с помощью коммутатора подается на логарифмический преобразователь, на выходе которого формируется импульс длительностью Tn = tan (an – приращение коэффициента поглощения поверочной газовой смеси). Значение длительности, в свою очередь, преобразуется в код, хранимый в памяти микроконтроллера.
В рабочем режиме концентрация углекислого газа Сx вычисляется следующим образом:
...
Измеренные значения концентрации отображаются блоком индикаторов.
В процессе работы устройства во время каждого вдоха после наполнения измерительной камеры атмосферным воздухом повторно "устанавливается нуль", что позволяет учесть уход параметров измерительного канала и изменение внешних условий. Текущая фаза дыхания выделяется путем анализа формы кривой капнограммы в реальном времени. Кроме того, для коррекции ухода параметров элементов схемы периодически опрашивается выход ИОН. Поскольку напряжение U0 отражает изменение коэффициента поглощения воздуха и одновременно служит эталоном для ИОН, после каждой "установки нуля" значение выходного напряжения ИОН изменяется, т.е. корректируется передаточная характеристика всего прибора.
Изготовлен макет анализатора углекислого газа в выдыхаемом воздухе, предназначенного для использования в функциональной диагностике. Измерительная камера (внутренний объем ~1 см3) размещена внутри фторопластового цилиндрического корпуса и соединена с электронным блоком гибким кабелем. При проведении измерений к корпусу измерительной камеры для надежного контакта с дыхательными путями пациента присоединяется резиновая маска.
Для детального анализа капнограммы УЗ-анализатор можно подсоединить к ПК. Предусмотрена также возможность записи капнограмм в энергонезависимую память. Анализатор имеет следующие характеристики:
Диапазон измеряемых концентраций СО2, % об. доли 0–9,9
Относительная погрешность, % от измеряемой величины не более 5*
Время измерения, мс 10
Потребляемая мощность, Вт не более 4
Связь с ЭВМ через RS–232
Габаритные размеры, мм:
устройство индикации и управления 170х100х35
измерительная камера 85х30
блок питания 120х90х55
Масса, кг:
устройство индикации и управления 0,4
измерительная камера с дыхательной маской 0,15
*Приведенное значение погрешности измерения гарантировано для диапазона атмосферного давления 760±38 мм рт. ст. и температуры 10... 35°С.
Погрешность главным образом связана с изменениями атмосферного давления. С помощью встроенного датчика атмосферного давления или ручного ввода его значения и последующей коррекции она может быть снижена до 2 %. Тем не менее, по величине погрешности измерения прибор не уступает малогабаритным капнографам зарубежного производства, основанным на ИК-абсорбционном методе. При этом время измерения концентрации УЗ-анализатором гораздо меньше, чем у зарубежных анализаторов, что позволяет реализовать более высокую частоту опроса и, следовательно, обеспечить более качественный анализ капнограмм. Наиболее близкий по своим функциям УЗ-анализатор – малогабаритный проточный капнограф Tidal Wave фирмы Novametrix (США) [4], позволяющий определять концентрацию СО2 в диапазоне 0–10 % об. доли с погрешностью не хуже 5 %. Время измерения его равно 60 мс.
Испытания макета УЗ-анализатора в отделении функциональной диагностики областной клинической больницы Рязани подтвердили возможность применения прибора в медицинской практике.
Литература
1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия/Под ред. И. П. Голямина. –М.: Советская энциклопедия, 1979.
2. Красильников В.А., Крылов В. В. Введение в физическую акустику. –М.: Наука, 1984.
3. Курышев В.В. Экспериментальное определение акустических параметров выдыхаемого воздуха. – Вестник Рязанской Государственной радиотехнической академии, 2001, вып. 8.
4. www.novametrix.com/products/
Отзывы читателей
