Универсальный дыхательный тренажер с биологической обратной связью

Универсальный дыхательный тренажер с биологической обратной связью

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к нормализации количества углекислого газа в организме человека.

В норме (у здорового человека) организм сам автоматически поддерживает нормальное содержание углекислого газа в крови (нормокапния). Вследствие стрессов и гиподинамии дыхание становится чрезмерным, и с возрастом в организме возникает дефицит углекислого газа (гипокапния). Из-за этого нарушается регуляция тонуса гладкой мускулатуры, что приводит к нарушению кровоснабжения органов, повышению артериального давления (АД), усугубляет тяжесть гипертонической болезни, ишемической болезни, стенокардии, бронхиальной астмы, хронического бронхита, сахарного диабета второго типа, язвенной болезни желудка, гастрита, артроза, остеохондроза, ожирения, запоров...

Избавиться от болезней и необходимости приема сосудорасширяющих препаратов можно только за счет восстановления нормального содержания углекислого газа.

Общеизвестны дыхательные гимнастики Стрельниковой и Бутейко, при применении которых оптимизируется содержание углекислого газа в крови и организме человека.

Недостатком этих вариантов дыхательных гимнастик является то, что насыщение углекислым газом (% содержание) не контролируется ничем, кроме собственных ощущений человека, а это очень субъективно и может не только не улучшить, но и ухудшить состояние здоровья.

Известен тренажер Фролова, см. патент РФ №2123865, состоящий из двух сообщающихся сосудов, разных по объему, вложенных один в другой, гофрированной трубки и загубника. В этих сосудах отработанная дыхательная смесь с увеличенным CO₂ смешивается с вдыхаемым воздухом, а пациент через загубник дышит этой смесью с увеличенной концентрацией CO₂, см. также www.lotos-om.ru. Для еще большего увеличения процентного содержания CO₂ во вдыхаемом воздухе используется третья внешняя камера, в качестве которой используют банки различной емкости.

В этом тренажере не совсем удачный конструктив: один сосуд - лишний (а в случае применения третьей внешней камеры - два сосуда). В конечном счете предел увеличения содержания CO₂ во вдыхаемом воздухе зависит от общего объема всех камер тренажера, увеличивающих объем «мертвого пространства» [1], в котором происходит смешивание атмосферного воздуха с выдыхаемым воздухом, содержащим повышенный процент CO₂ и пониженный процент O₂. Так, при увеличении объема мертвого пространства на 0,5 л после определенного количества дыхательных движений содержание CO₂ во вдыхаемой смеси установится на уровне 0,3%, при увеличении на 1 л - 1,5%, при увеличении на 1,5 л - 2%.

Вторым недостатком этого тренажера является невозможность контролировать изменение физиологических параметров организма во время тренировок.

Известен тренажер, физкультурный имитатор (ТФИ), см. патент РФ №2133629 «Способ уменьшения хронической гипоксии тканей», также патент РФ №2187341 «Способ повышения адаптационных и компенсаторных возможностей организма».

По своей конструкции тренажер ТФИ практически идентичен тренажеру Фролова. Небольшое отличие метода связано с введением дополнительного устройства - гипоксикатора, позволяющего до иди после тренировок оценивать уровень вентиляции легких и отслеживать его нормализацию. Однако оценка вентиляции легких этим методом имеет большую погрешность.

Недостатком патента №2187341, взятого за прототип, является его недостаточная функциональность и усложненность конструкции по отношению к решаемым задачам.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности пользования за счет введения биологической обратной связи и мониторинга некоторых функций организма, также оригинального конструктива непосредственно устройства.

Указанная цель достигается следующим образом. Универсальный дыхательный тренажер с биологической обратной связью, содержащий маску для дыхания, дыхательный шланг и незамкнутый сосуд с отверстием для трубки, соединенные последовательно, отличающийся тем, что дыхательная маска выполнена в ротоносовом исполнении, а дыхательный шланг выполнен в виде гофрированной трубки; сосуд выполнен в варианте четырехсекционной камеры, которая состоит из шлюзовой секции, первой и второй перепускных секций и накопительной секции, причем гофрированная трубка соединена со шлюзовой секцией, которая через обе перепускные секции соединена с накопительной секцией; первая и вторая перепускные секции, соединяющие шлюзовую и накопительную секции, снабжены клапанами, благодаря которым первая перепускная секция работает на вдох, а вторая на выдох; внутренний объем ротоносовой маски, дыхательного шланга, шлюзовой и перепускных секций в сумме не превышает 100 мл, а накопительная секция выполнена с регулируемым переменным объемом от 0 до 2000 мл, также эта секция имеет регулируемое отверстие, расположенное внизу, площадью от 13 до 201 мм² (т.е. с переменным диаметром от 4 до 16 мм); в первую и вторую перепускные секции помещены пневмотахометры; в него введены пульсоксиметр, блок постоянного потенциала, микроконтроллер и ЖКИ, соединенные следующим образом: выходы первого и второго пневмотахометра соединены с первым и вторым входами МС, выход пульсоксиметра соединен с третьим входом МС, а выход блока постоянного потенциала соединен с четвертым входом МС, выход которого соединен с входом ЖКИ; ЖКИ отображает следующую информацию: скорость потока воздуха через перепускные секции и время его прохождения через каждую секцию в режиме вдоха и выдоха (а через определенные интервалы времени - частоту и минутный объем дыхания), пульс пациента, величину постоянного потенциала, при снятии которого активный электрод находится на поверхности кожи головы [2].

На чертеже приведена структурная схема тренажера с мониторингом параметров, на котором изображено: 1 - ротоносовая маска, 2 - гофрированная трубка, 3 - четырехсекционная камера, в состав которой входят: шлюзовая секция 4, секция входа (вдоха) 5, секция выхода (выдоха) 6, накопительная секция 7, первый 8 и второй 9 пневмотахометры соответственно, клапаны 10 и 11, регулируемое по площади отверстие 12, микроконтроллер 13, ЖКИ 14, датчик пульса 15, блок питания 16, блок постоянного потенциала головного мозга 17, соединения блока питания 16 с блоками устройства условно не показаны.

Указанные узлы тренажера могут быть выполнены в следующем исполнении: ротоносовая маска 1, гофрированная трубка 2, пневмотахометры 8 и 9, клапаны 10 и 11, датчик пульса 15 стандартные, применяются почти во всех ИВЛ РФ; четырехсекционная камера со шлюзовой 4, перепускными 5 и 6 и накопительной 7 секциями - собственного изготовления, микроконтроллер 13 практически любой типа PIC или Ziloc, ЖКИ 14 цветной может быть взят с цифрового аппарата размером 2,4-3'' (если тренажер в индивидуальном исполнении), а для физиокабинетов поликлиник или больниц можно использовать любой персональный компьютер, при этом МС 13 также не нужен, блок ПП 17 - блок постоянного потенциала головного мозга представляет собой: два электрода, один из которых (активный) устанавливается на верхнюю часть головы, второй (референтный) на запястье, и измерительный операционный усилитель, выполненный на ИМС AD8222, см.ж. «Электронные компоненты и системы», Киев, 2007, №1, стр.15.

Универсальный дыхательный тренажер с биологической обратной связью может работать в следующих режимах.

Исполнение тренажера упрощенное: в виде ротоносовой маски, гофрированной трубки, смесительной и накопительной секций, соединенных в единый сосуд переменной емкости (за счет переменной емкости в конструкции накопительной секции). Это простое устройство может с успехом заменять тренажеры Фролова и ТФИ, т.к. за счет переменной емкости накопительного сосуда можно регулировать изменение процентного содержания CO₂ во вдыхаемой газовой смеси, а при помощи регулируемого отверстия 12 можно изменять сопротивление вдоху-выдоху во время тренировок.

Наибольшее увеличение эффективности дыхательных тренировок дает исполнение тренажера в полном виде, т.е. с перепускными камерами и электроникой. При этом возможно проведение нескольких принципиально разных режимов тренировок, которые взаимодополняют друг друга.

При функционировании тренажера без накопительной секции (при снятой или свернутой накопительной секции) увеличение мертвого пространства происходит на крайне незначительную величину (менее 100 мл), что практически не дает значимого увеличения процентного содержания CO₂ во вдыхаемом воздухе. В этом варианте тренировок главное достоинство тренажера в наличии перепускных камер, соединенных с пневмотахометрами и позволяющих отслеживать продолжительности вдоха-выдоха, частоту и минутный объем дыхания. Помимо этого за счет пульсоксиметра отслеживается частота пульса. В профессиональных вариантах тренажера (изготавливаемых для клинического использования) предусмотрено наличие измерителя постоянного потенциала с кожи головы, величина которого зависит от кислотно-основного состояния крови в сосудах головного мозга [Фокин В.Ф., Пономарева Н.В. Энергетическая физиология мозга. Антидор, 2003. - 288 с., стр.56-57]. Таким образом, тренировка с помощью тренажера без накопительной камеры делает возможным осуществление самых разнообразных дыхательных гимнастик практически обычным воздухом, сопровождаемых отслеживанием динамики важнейших физиологических показателей (с биологической обратной связью).

Использование тренажера с накопительной камерой позволяет дышать воздухом с повышенным процентным содержанием CO₂, которое определяется общим объемом камер тренажера (главным образом - объемом накопительной камеры). При этом во время дыхания газовой смесью с повышенным содержанием CO₂ также отслеживается динамика измеряемых физиологических показателей.

Последовательность действий та же, что и в двух предыдущих пунктах. Работа тренажера происходит следующим образом (см. чертеж).

При вдохе получается разрежение в шлюзовой секции 4, клапан 10 открывается, и поток воздуха, проходя через накопительную секцию 7, перепускную секцию 5, шлюзовую секцию 4, гофрированную трубку 2 и ротоносовую маску 1, поступает в воздухоносные пути и легкие пациента. Затем происходит выдох, при этом выдыхаемый пациентом воздух проходит через ротоносовую маску 1, гофрированную трубку 2, шлюзовую секцию 4, открывшийся клапан 11 и перепускную секцию 6, накопительную секцию 7. Затем режим вдох/выдох повторяется, причем пневмотахометры 8 и 9 при каждом вдохе и выдохе регистрируют скорость потока воздуха и время вдоха/выдоха, эти сигналы поступают на МС 13, который вычисляет объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, частоту и минутный объем дыхания, отображая это на ЖКИ 14, на котором также отображается пульс с пульсоксиметра 15 и величина постоянного потенциала головного мозга с блока 17.

По данным с ЖКИ 14 пациент лично (а также лечащий врач) контролирует эффективность дыхательного процесса и свое состояние по регистрируемым показателям. Таким образом, присутствует биологическая обратная связь, позволяющая повысить эффективность дыхательных тренировок.

Литература

1. Физиология человека, т.2. Пер. с англ. / под ред. Р.Шмидта и Г.Тевсе, М.: Мир, 1996, стр.313.

2. Фокин В.Ф., Пономарева Н.В. Энергетическая физиология мозга. Антидор, 2003. - 288 с.

1. Дыхательный тренажер с биологической обратной связью, содержащий маску для дыхания в ротоносовом исполнении, дыхательный шланг в виде гофрированной трубки и незамкнутый сосуд с отверстием для трубки, соединенные последовательно, отличающийся тем, что сосуд выполнен в варианте четырехсекционной камеры, которая состоит из шлюзовой секции, первой и второй перепускной секции и накопительной секции, причем дыхательный шланг соединен со шлюзовой секцией, которая через обе перепускные секции соединена с накопительной секцией.

2. Дыхательный тренажер по п.1, отличающийся тем, что первая и вторая перепускная секции, соединенные со шлюзовой и накопительной секциями, имеют клапаны, пропускающие воздух только в одном направлении, причем первая секция работает на вдох, а вторая на выдох.

3. Дыхательный тренажер по п.1, отличающийся тем, что внутренний объем маски для дыхания, дыхательного шлага, шлюзовой и перепускных секций в сумме не превышает 100 мл, а накопительная секция выполнена с регулируемым переменным объемом до 2000 мл и имеет внизу регулируемое отверстие с переменным диаметром от 4 до 16 мм.

4. Дыхательный тренажер по п.1, отличающийся тем, что в первую и вторую перепускные секции помещены пневмотахометры.

5. Дыхательный тренажер по п.4, отличающийся тем, что в него введены пульсоксиметр, блок постоянного потенциала, микроконтроллер и жидкокристаллический индикатор, соединенные следующим образом:

выходы первого и второго пневмотахометров соединены с первым и вторым входами микроконтроллера соответственно, выход пульсоксиметра соединен с третьим входом микроконтроллера, а выход блока постоянного потенциала соединен с четвертым входом микроконтроллера, выход которого соединен с входом жидкокристаллического индикатора.

6. Дыхательный тренажер по п.5, отличающийся тем, что жидкокристаллический индикатор отображает следующую информацию: скорости потока воздуха через перепускные секции и время его прохождения через каждую секцию в режиме вдоха и выдоха, а через определенные интервалы времени - частоту и минутный объем дыхания, пульс пациента, величину постоянного потенциала, при снятии которого активный электрод находится на поверхности кожи головы.