Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси

Реферат

 

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для длительного непрерывного контроля и измерения процентного содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси пациента на вдохе и выдохе. Аппарат содержит отражатель, излучатель, измерительную камеру, вход которой соединен с патрубком подачи дыхательной смеси, на входе которого установлен адаптер, соединенный магистралью с влагоотделителем, который соединен с первым входом пневморегулятора, второй вход которого через поглотитель СО₂ связан с атмосферой. Выход камеры соединен с помпой для отбора дыхательной смеси. За камерой смонтированы оптические интерференционные фильтры, а за ними расположены первый и второй приемники оптического излучения, которые через предусилители подключены к первому и второму входам блока обработки сигналов, который двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления. Аппарат содержит также блок питания. Устройство характеризуется повышением точности измерения, эксплуатационных характеристик, а также устойчивости и надежности в работе. 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам инфракрасной фотометрии, и предназначено для длительного непрерывного контроля и измерения процентного содержания двуокиси углерода (CO₂) в дыхательной смеси пациента на вдохе и выдохе. Изобретение найдет применение в отделениях анестезиологии, интенсивной терапии, хирургии, дыхательной терапии больниц, клиник и других медицинских учреждений.

Известен аппарат для непрерывного контроля двуокиси углерода в дыхательной смеси (проспект датской фирмы "Bruel & Kjaer", монитор модели 1304, опубликован - июль 1986 г.), содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, прерыватель с тремя рядами различных по форме и количеству отверстий и измерительную камеру. В передней части измерительной камеры установлены оптические фильтры, форма которых соответствует форме отверстий прерывателя. Таким образом, обеспечивается соответствие частоты прерывания и длины волны падающего света спектрам поглощения исследуемых газов дыхательной смеси: двуокиси углерода (СО₂), закиси азота (N₂O) и паров анестетиков. Проба газа засасывается в измерительную камеру через влагоотделитель и регулятор потока с помощью помпы. В измерительной камере поглощение падающего света приводит к изменениям давления каждого газа с частотой, соответствующей частоте прерывания ИК-излучения. В результате создаются пульсации давления, которые регистрируются микрофоном. Суммарный сигнал с микрофона подвергается аналого-цифровому преобразованию, а после фильтрации и обработки формируются текущие значения концентраций анализируемых газов в реальном масштабе времени. На экране блока индикации и управления отображается кривая изменения концентрации CO₂ на вдохе-выдохе (капнограмма) и числовые значения содержания других газов дыхательной смеси.

Известный аппарат обладает рядом существенных недостатков: - наличие механических подвижных узлов и деталей заметно снижает надежность работы аппарата; - отсутствие эталонного сигнала снижает точность измерения концентраций газов в пробе из-за нестабильности оптоэлектронного тракта, особенно из-за нестабильности интенсивности источника излучения; - технологическая сложность изготовления оптических фильтров и отверстий прерывателя с определенной формой значительно повышает себестоимость аппарата в целом; - неизбежное загрязнение измерительной камеры в процессе эксплуатации требует частой калибровки аппарата и соответственно вызывает простои в его работе и увеличивает затраты на обслуживание.

Известен аппарат для непрерывного контроля двуокиси углерода в дыхательной смеси (проспект финской фирмы "Dateks Instrumentarium Corp., опубликованный в сентябре 1988 г.), содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, эталонную и измерительные камеры. Измерительная камера соединена с патрубком подачи измеряемой дыхательной смеси, на входе которого смонтирован влагоотделитель, а на выходе - помпа для отбора пробы дыхательной смеси. За эталонной и измерительной камерами расположен обтюратор с оптическими интерференционными фильтрами для СО₂ и N₂O и приемник оптического излучения, размещенный в оптическом фокусе второго отражателя и подключенный через предусилитель к первому входу блока обработки сигнала, который соединен двунаправленной многоразрядной шиной с блоком управления и индикации. Блок питания аппарата подключен ко входам помпы, предусилителя, приемника оптического излучения, блоку обработки сигнала и блоку управления и индикации.

Известный аппарат выполнен двухканальным, что позволяет осуществлять непрерывный контроль и измерение процентного содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси пациента путем сравнения показаний эталонной камеры и измерительной.

Анализ схемотехники аппарата и оценка результатов использования его в медицинской практике свидетельствуют о наличии существенных конструктивных и эксплуатационных недостатков: - наличие механических подвижных узлов и деталей заметно снижает надежность работы аппарата; - неизбежное загрязнение измерительной камеры в процессе эксплуатации требует частой калибровки аппарата и соответственно вызывает простои в его работе и увеличивает затраты на обслуживание.

Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси, повышения эксплуатационных характеристик, а также устойчивости и надежности работы аппарата.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом.

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси, содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, измерительную камеру, соединенную с патрубком подачи измеряемой дыхательной смеси, на входе которого установлен влагоотделитель, а на выходе - помпа для отбора пробы дыхательной смеси, оптические интерференционные фильтры для СО₂ и N₂O, приемник оптического излучения, подключенный через предусилитель к первому входу блока обработки сигналов, который двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления и индикации, и блок питания, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к входу блока индикации и управления, третьему входу блока обработки сигнала, второму входу первого предусилителя и к помпе, согласно настоящему изобретению снабжен переключателем потока газов, установленным после влагоотделителя перед измерительной камерой на патрубке подачи дыхательной смеси, первый вход переключателя соединен с влагоотделителем, а второй через поглотитель CO₂ связан с атмосферой и последовательно соединенными вторым приемником оптического излучения и вторым предусилителем.

Согласно изобретению первый и второй приемники оптического излучения расположены каждый за соответствующим оптическим фильтром на его оптической оси, выход второго приемника излучения через второй предусилитель подключен ко второму входу блока обработки сигналов, а пятый выход блока питания подключен к второму входу второго предусилителя.

Согласно настоящему изобретению излучатель соединен со вторым выходом блока обработки сигнала и выполнен в виде быстродействующего селективного источника излучения, перекрывающего диапазон спектров поглощения СО₂ и NО₂.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении надежности и устойчивости работы аппарата за счет отсутствия подвижных узлов и деталей в измерительном тракте аппарата и улучшении эксплуатационных характеристик измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси пациента. Непрерывное измерение СО₂ в дыхательной смеси в условиях ингаляционного наркоза часто происходит с использованием закиси азота высокой концентрации (до 70%). Присутствие в смеси молекул N₂О из-за эффекта расширения столкновения оказывает заметное влияние на результаты измерения концентрации СО₂. Поэтому в аппаратах для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси необходимо измерять концентрацию N₂О и автоматически вводить поправку в показания СО₂. Для оптического разделения сигналов, соответствующих каждому из газов, используются узкополосные фильтры с _max= 3,9 мкм для N₂О и _max=4,27 мкм для СО₂. Технология изготовления многослойных интерференционных фильтров позволяет получить фильтры с высокой добротностью, с полушириной спектрального диапазона 0,1 мкм. Этим обеспечивается достаточная селективность фильтрации, которая практически исключает взаимное влияние сигналов друг на друга несмотря на близость спектров поглощения этих газов. Использование быстродействующего селективного излучателя, перекрывающего диапазон спектров поглощения СО₂ (_max=4,27 мкм) и N₂O (_max=3,9 мкм), позволяет реализовать импульсный режим излучения необходимой длительности и скважности и электрически обеспечить устойчивую синхронизацию импульса излучения с импульсом считывания сигналов по каналам измерения СО₂ и N₂O. Такое схемотехническое решение обеспечивает устойчивую и надежную работу аппарата.

Излучатель, приемник излучения, электронный тракт обработки сигнала и оптические свойства измерительной камеры обладают заметной нестабильностью. Их дрейфы в сильной степени зависят от окружающей температуры, а оптические свойства измерительной камеры даже при достаточно надежной защите (влагоотделитель, фильтр) не остаются неизменными из-за неизбежно образующегося со временем на оптических элементах налета от прокачиваемого через камеру газа и возможных забросов конденсата. Чтобы исключить их влияние, измерительная камера периодически на короткое время используется как эталонная, когда через нее прокачивается газовая смесь из атмосферы, свободная от содержания СО₂ и N₂O. Параметры этих сигналов служат для коррекции рабочих сигналов, соответствующих содержанию СО₂ и N₂O в дыхательной смеси, и хранятся в памяти ОЗУ до следующего переключения. Таким образом, исключаются изменения и дрейфы оптико-электронного тракта и отпадает необходимость периодической калибровки аппарата.

Сущность изобретения поясняется примером конкретной реализации патентуемого аппарата и чертежами, на которых представлено: фиг.1 - блок-схема аппарата; фиг.2 - блок-схема блока 17 обработки сигналов; фиг.3 - укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата.

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси содержит (фиг.1) последовательно расположенные отражатель 1, в оптическом фокусе которого расположен излучатель 2, выполненный в виде импульсного селективного источника ИК-излучения, измерительную камеру 3, вход которой соединен с патрубком 4 подачи дыхательной смеси, на входе которого установлен адаптер 5, подключенный к дыхательному контуру пациента, соединенный магистралью 6 с влагоотделителем 7, который соединен с первым входом переключателя потока газов 8, второй вход которого через поглотитель СО₂ 9 связан с атмосферой. Выход измерительной камеры 3 соединен с помпой 10 для отбора дыхательной смеси. За измерительной камерой 3 смонтированы оптические интерференционные фильтры: фильтр 11 для СО₂ и фильтр 12 для N₂O. На оптической оси фильтров 11 и 12 расположены первый приемник оптического излучения 13 и второй приемник оптического излучения 14, которые соответственно через предусилители 15 и 16 подключены к первому и второму входам блока обработки сигналов 17, первый выход которого подключен к переключателю потока газов 8, второй выход - к излучателю 2, а своей двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления и индикации 18. Блок питания аппарата 19 первым, вторым, третьим, пятым и четвертым выходами подключен соответственно к первому входу блока управления и индикации 18, третьему входу блока обработки сигналов 17, вторым входам предусилителей 15 и 16 и к помпе 10.

Отражатель 1 с излучателем 2 представляют собой оптоэлектронное устройство, содержащее матрицу светодиодов, расположенную в фокусе эллиптического металлического отражателя и излучающую в области _max=0,9 мкм. Под воздействием этого излучения происходит вторичное переизлучение люминисцирующего вещества (люминофора), которое в соответствии с правилом Стокса сдвинуто в длинноволновую область спектра в диапазон спектров поглощения CO₂ и N₂О.

Измерительная камера 3 служит для подачи в нее по трубопроводу 4 (из пластика) дыхательной смеси от пациента. Камера 3 представляет собой герметичную емкость с окошками из прозрачного в области излучения 2-5 мкм сапфира.

Адаптер 5, магистраль 6 и влагоотделитель 7 обеспечивают забор газовой пробы из дыхательного контура пациента и отделение влаги, которая содержится в дыхательной смеси, от ее попадания в измерительную камеру 3, что отрицательно сказывается на точности измерений.

Переключатель потока газов 8 представляет собой обычный трехходовой клапан с электромагнитным управлением (например, распределитель MOZBH-3-0,5-12DC, см. каталог фирмы FESTO), что позволяет периодически подавать в измерительную камеру 3 либо дыхательную смесь пациента, либо атмосферный воздух через поглотитель СО₂ 9, представляющий собой контейнер с гранулами натронной извести.

Помпа 10 (например, марки 3003L фирмы ASF THOMAS) служит для отбора пробы дыхательной смеси пациента.

Оптические интерференционные фильтры 11 и 12 представляют собой нанесенные на сапфировую подложку многослойные покрытия, которые обеспечивают оптическое разделение сигналов в диапазоне спектров поглощения СO₂ (_max= 4,27 мкм) и N₂O (_max=3,9 мкм).

Приемники оптического излучения 13 и 14 представляют собой фоторезисторы на основе PbSe и служат для преобразования оптического излучения в электрический сигнал по каналам измерения СО₂ (_max=4,27 мкм) и N₂O (_max=3,9 мкм).

Предусилители 15 и 16 предназначены для предварительного усиления сигналов приемников оптического излучения 13 и 14 и могут быт выполнены, например, по схеме дифференциального усилителя.

Блок обработки сигналов 17 (фиг.2) содержит усилители с управляемым коэффициентом усиления 20 и 21, управляемые блоки резисторов R-2R 22 и 23, аналого-цифровой преобразователь 24, микроконтроллер 25 типа AT90MEGA-128, блок формирования сигнала управления переключателем потока газов 26 и блок формирования импульса запуска излучателя 27 и обеспечивает измерение, коррекцию и хранение измеренных сигналов, синхронизацию вспомогательных сигналов, а также обмен информацией с блоком управления и индикации 18 (подробная схемотехническая реализация элементов блока 17 отражена в технической документации заявителя на аппарат, см. АФИН 467444.009).

Блок управления и индикации 18 обеспечивает вывод измерительной и графической информации на экран и может быть выполнен в виде жидкокристаллического (ЖКИ) экрана с контроллером, например модель EL 320.240.36 фирмы "PLANAR".

Блок питания 19 обеспечивает вторичным стабилизированным питанием все электрические узлы и схемы и может быть выполнен по известной схеме (см., например, AC-DC Converter 25 W фирмы "Power-one").

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода работает следующим образом.

Включают блок питания 19 и подают напряжение на предусилители 15 и 16, блок обработки сигналов 17, блок управления и индикации 18 и помпу 10.

Переключатель потока газов 8 устанавливается в состояние отбора воздуха из атмосферы и измеряются эталонные сигналы по каналам N₂O и СО₂ (обнуление N₂O и СО₂, см. фиг.3), после чего переключатель 8 устанавливается в состояние отбора пробы газа из дыхательного контура пациента и устанавливается (программно) счетчик времени, определяющий периодичность процедуры обнуления. Далее производится непрерывное измерение текущих значений сигналов по каналам N₂O и CO₂, расчет и корректировка их значений, вывод текущего значения парциального давления РСO₂, которые отображаются на экране блока управления и индикации 18 в графическом виде (капнограмма). Поскольку диагностическое значение имеют максимальное значение РСО₂ в конце выдоха (P_ET СO₂), минимальное значение в конце вдоха (Р_INСО₂), частота дыхания (RR) и значение концентрации N₂O в дыхательной смеси на вдохе (F₁N₂O), эти значения определяются алгоритмически и выводятся на экран блока 18 в цифровом виде. Значения P_ET СО₂ RR и F₁N₂O проверяются на выход за пределы установленных границ, и в случае выхода за нижнюю или верхнюю границы происходит включение световой и звуковой тревожной сигнализации. В процессе работы программы происходит непрерывный опрос клавиатуры блока 18, с помощью команд которой производится изменение режимов работы аппарата и установка границ тревожной сигнализации. После истечения времени, установленного на счетчике, производится установка переключателя потока газов 8 в состояние отбора из атмосферы и цикл измерений повторяется. Момент переключения синхронизирован с моментом смены кадра при выводе графической информации.

Формула изобретения

Аппарат для непрерывного измерения содержания двуокиси углерода в дыхательной смеси, содержащий последовательно расположенные отражатель, в оптическом фокусе которого установлен излучатель, измерительную камеру, соединенную с патрубком подачи измеряемой дыхательной смеси, на входе которого установлен влагоотделитель, а на выходе - помпа для отбора пробы дыхательной смеси, оптические интерференционные фильтры для СО₂ и N₂O, приемник оптического излучения, подключенный через предусилитель к первому входу блока обработки сигналов, который двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления и индикации, и блок питания, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к входу блока управления и индикации, третьему входу блока обработки сигнала, второму входу первого предусилителя и к помпе, отличающийся тем, что аппарат снабжен переключателем потока газов, установленным между влагоотделителем и измерительной камерой на патрубке подачи дыхательной смеси, первый вход переключателя соединен с влагоотделителем, а второй через поглотитель СО₂ связан с атмосферой, а выход - с измерительной камерой, вторым приемником оптического излучения и вторым предусилителем, первый и второй приемники оптического излучения расположены каждый за соответствующим оптическим интерференционным фильтром на его оптической оси, выход второго приемника излучения через второй предусилитель подключен ко второму входу блока обработки сигналов, а пятый выход блока питания подключен к второму входу второго предусилителя, при этом переключатель потока газов и излучатель связаны с выходами блока обработки сигнала, а излучатель выполнен в виде быстродействующего селективного источника излучения, перекрывающего диапазон спектров поглощения СО₂ и NО₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3