Спосіб вимірювання бронхіального опору

Спосіб виміру бронхіального опору, що включає вимірювання тиску в легенях після короткоча 3 Для визначення альвеолярного тиску проводиться короткочасне (не більше 0,1 с) перекриття повітряного потоку в повітропроводі на виході з легенів за допомогою заслінки. Після перекриття повітряного потоку тиск у легенях вирівнюється й альвеолярний тиск не відрізняється від тиску на виході з дихальних шляхів перед закритою заслінкою. Вимірявши цей тиск на виході з дихальних шляхів (перед заслінкою) після перекриття повітряного потоку й визначивши величину об'ємної швидкості потоку повітря безпосередньо після відкриття повітряного потоку, відповідно до закону Пуазейля, можна розрахувати бронхіальний опір легенів за формулою: Raw=P/Q, (1) де: Raw - бронхіальний опір легенів; Р - тиск перед заслінкою після її закриття; Q - об'ємна швидкість повітряного потоку після відкриття заслінки. Ознаками, що збігаються з ознаками запропонованого способу, є - вимірювання тиску повітря в легенях після короткочасного перекриття повітряного потоку й розрахунок бронхіального опору. Загальним недоліком як і для способуаналога, так і для способу-найближчого аналога є необхідність під час кожного дослідження бронхіального опору проводити вимірювання швидкості повітряного потоку. Це ускладнює як процес дослідження, так і діагностичну апаратуру, що використовується для цього, тому що для вимірювання об'ємної швидкості повітряного потоку необхідно використовувати спеціальний прилад (наприклад, пневмотахометр). В основу корисної моделі, що пропонується, поставлено завдання вилучення необхідності вимірювання об'ємної швидкості повітряного потоку під час кожного вимірювання бронхіального опору. Технологія запропонованого способу обмежується дворазовим вимірюванням лише одного параметра (тиску), що спрощує й процес дослідження, і апаратуру, що застосовується в цьому випадку. Поставлене завдання досягається тим, що в запропонованому способі, у котрому є - вимірювання тиску повітря в легенях після короткочасного перекриття повітряного потоку й розрахунок бронхіального опору, відповідно до корисної моделі, під час наступного короткочасного відкриття повітряного потоку рух повітря направляють через калібрований опір і вимірюють тиск у потоці повітря на межі між каліброваним опором і легенями, а бронхіальний опір розраховують за формулою: Raw=Rd-(P/P1-1); (2) де: Raw - бронхіальний опір; Rd - калібрований опір; Р - тиск у легенях у момент перекриття повітряного потоку; P1 - тиск повітря на межі між легенями й каліброваним опором під час короткочасного відкриття повітряного потоку; 1 - стале число. Спрощення технологічного процесу дослідження за рахунок вилучення необхідності вимірювання об'ємної швидкості повітряного потоку 42959 4 забезпечується наступними характерними ознаками: під час короткочасного відкриття повітряного потоку рух повітря направляють через калібрований опір і в цей момент вимірюють тиск у потоці повітря на межі між каліброваним опором і легенями. Таким чином, дослідження бронхіального опору зводиться до вимірювання тиску на виході з легеневих шляхів при закритій заслінці й вимірюванні тиску на межі між легенями й каліброваним опором під час короткочасного відкриття повітряного потоку. Між сукупністю характерних ознак заявленого способу й технічним результатом, який можна досягнути, є наступний причинно-наслідковий зв'язок. Запропонований спосіб засновано на дослідженні аеродинаміки повітряного потоку в системі «легені - калібрований опір». Як калібрований опір можна використовувати, наприклад, будь-яку трубку з відомим (каліброваним) опором потоку повітря, із твердими стінками й постійним перерізом. Для наочності цю систему схематично можна представити у вигляді двох труб, які з'єднано послідовно (Фіг.1 і Фіг.2). Легені представлено у вигляді труби із бронхіальним опором Raw, який досліджують, а калібрований опір - у вигляді іншої труби з відомим (каліброваним) опором Rd. На межі між двома трубами передбачено можливість короткочасного перекриття сполучення між ними за допомогою заслінки. Безпосередньо перед заслінкою з боку труби з опором Raw (легені) є можливість вимірювання тиску з використанням датчика тиску (манометра). Під час короткочасного перекриття повітряного потоку (Фіг.1) тиск у легеневому просторі й у повітропроводі перед заслінкою вирівнюється і його величина відповідає альвеолярному. Цей тиск виміряється за допомогою манометра, що розташовано перед заслінкою, і його значення відповідає тиску в легенях (Р). Після короткочасного відкриття заслінки (Фіг.2), у результаті виникаючого перепаду тиску між альвеолярним і атмосферним тиском, формується повітряний потік. Тиск у повітряному потоці P1, вимірювання котрого здійснюється на межі між легенями й каліброваним навантажувальним опором, залежить від перепаду альвеолярного тиску Р2 на шуканий бронхіальний опір у легенях Raw, тобто P1=P-P2, і, відповідно: P2=P-P1 (3) Відомо, що об'ємна швидкість повітряного потоку на різних, послідовно з'єднаних, ділянках повітропроводу однакова. При цьому падіння тиску на цих ділянках прямо пропорційно їхньому опору. Дійсно, використовуючи формулу (1) для двох, послідовно з'єднаних, ділянок повітропроводу й замінивши значення Р2 за формулою (3) одержуємо два рівняння: Q=P1/Rd, (для каліброваного опору) (4) Q=Р2/Raw або, підставляючи значення Р2 із фо(3) рмули 5 Q=(P-P1)/Raw, (для легенів) (5) де: Q - об'ємна швидкість повітряного потоку в повітропроводі; P1 - падіння тиску на ділянці з каліброваним опором; Rd - калібрований опір; (P-P1) - падіння тиску на ділянці легенів; Raw - опір у легенях. Так як, ліві частини рівнянь (4) і (5) тотожні, то справедливе рівняння, розв'язання якого дає можливість розрахувати величину бронхіального опору (Raw): P1/Rd=(P-P1)/Raw, або: Raw·P1=Rd·(P-P1), звідси: Raw=Rd (P-P1)/P1 або: Raw=Rd (P/P1-1), (6) де: Raw - бронхіальний опір, який досліджується; Rd - калібрований опір; Р - тиск у легенях при закритій заслінці (альвеолярний тиск); P1 - тиск у повітряному потоці на межі муж легенями й каліброваним опором. Як випливає з формули (6), для розрахунку бронхіального опору (Raw) необхідно знати 3 показники - Р, P1 і Rd Два з них - альвеолярний тиск (Р) і тиск на межі між легенями й каліброваним опором (P1) вимірюються безпосередньо в процесі дослідження, відповідно при закритій і відкритій заслінці. Калібрований опір (Rd), що послідовно підключається на виході з легенів, виміряється один раз і цей, уже відомий (калібрований), опір використовується надалі для багаторазового вимірювання бронхіального опору. Як калібрований опір можна застосувати, наприклад, трубку, постійний діаметр і довжина якої дозволяють одержати необхідну величину опору повітряному потоку. За нашими спостереженнями оптимальним для дослідження бронхіального опору в людини рівнем каліброваного опору є опір у діапазоні від 200 до 800 Па·сек.·л-1. Зручніше й простіше можна виготовити необхідний калібрований опір із трубки постійного перерізу, тому що в цьому випадку її опір буде лінійно залежати від довжини. Для цього необхідно розрахувати питомий опір цієї трубки, тобто величину опору на одиницю довжини трубки. Розділивши величину необхідного каліброваного опору на числове значення розрахованого питомого опору досліджуваної трубки, отримуємо значення її довжини, що забезпечує необхідний опір потоку повітря. Розрахувати й виготовити калібрований опір із потрібними параметрами можна за наявності джерела тиску повітря, пристрою для вимірювання об'єму повітря й трубки довільної довжини з невідомим опором. Як джерело постійного тиску можна застосувати будь-який повітряний компресор, який здатний забезпечити тиск повітря в діапазоні 200-800 Па, що має на виході заслінку для перекриття повітряного потоку, і має встановлений перед заслінкою 42959 6 манометр. Для виміру об'єму повітря можна використовувати спірометр. Як матеріал для виготовлення каліброваного опору можна використовувати будь-яку трубку постійного перерізу з досить твердими стінками й внутрішнім діаметром у межах, наприклад, від 0,3 до 0,8см. Створюють повітропровід, який складається із джерела тиску (повітродувки) і спірометра, що послідовно з'єднані за допомогою якої-небудь підвідної трубки. Між джерелом тиску й початком підвідної трубки є можливість для перекриття повітряного потоку за допомогою заслінки. Між джерелом тиску й заслінкою встановлюють манометр для вимірювання тиску. Спочатку вимірюють тиск повітря (Р) на виході з повітродувки при закритій заслінці. Потім відкривають заслінку й вимірюють об'єм повітря, що накопичився під конусом спірометра (V1) за час (Т1). Позначають опір усієї системи «повітродувкаспірометр» як R. Розраховують об'ємну швидкість повітряного потоку: Q1=V1/Т1 Відповідно до закону Пуазейля для цієї системи повітропроводу справедливе рівняння: Q1=Р/R або: Q1·R=P (7) де: Q1 - об'ємна швидкість повітряного потоку в системі повітропроводу без трубки, що досліджується; R - опір усього повітропроводу без трубки, що досліджується; Р - тиск, який створюється повітродувкою при закритій заслінці. На другому етапі в цю систему, що складається з повітродувки, яку обладнано на виході заслінкою й манометром, підвідної трубки й спірометра, додатково включають трубку, що досліджується, з якої буде виготовлено калібровану трубку. Трубка, що досліджується, довжиною L із невідомим опором (Rx) включається послідовно між повітродувкою (після заслінки) і підвідною трубкою, що з'єднано зі спірометром. Відкривають заслінку й знову вимірюють об'єм повітря, що накопичився під куполом спірометра (V2) за час (Т2). Так як режим роботи джерела тиску не змінюється, то тиск, який розвивається повітродувкою в обох випадках, буде однаковим. Позначають опір нової системи як R+Rx. Об'ємна швидкість повітряного потоку в цій системі зміниться й буде дорівнювати: Q2=V2/T2 Відповідно до закону Пуазейля для нової системи повітропроводу із включеною трубкою, що досліджується, справедливе рівняння: Q2=P/(Rx+R); або: Q2·Rx+Q2·R=P (8) де: Q2 - об'ємна швидкість повітряного потоку в системі із трубкою; Rx - опір трубки, що досліджується; R - опір усього повітропроводу без трубки, що досліджується; Р - тиск, який створюється повітродувкою при закритій заслінці. 7 З рівняння (7) випливає: R=P/Q1 (9) Підставляють значення R із формули (9) у формулу (8) Q2·Rx+Q2·P/Q1=P Після перетворень знаходять формулу розрахунку опору всієї трубки, що досліджується (Rx): Q2·Rx=P-Q2·P/Q1; Q1·Q2·Rx=P·Q1-Q2·P; Q1·Q2·Rx=P·Q1-Q2·P; Q1·Q2·Rx=P·(Q1-Q2); Rx=P·(Q1-Q2)/(Q1·Q2), (10) де: Rx - опір трубки довжиною L; P - тиск на виході з повітродувки при закритій заслінці; Q1 - об'ємна швидкість повітряного потоку через повітропровід без трубки, що досліджується; Q2 - об'ємна швидкість повітряного потоку через повітропровід із включеної в його склад трубкою, що досліджується, довжиною L. Розраховують питомий опір трубки, що досліджується: Rud=Rx/L, (11) де: Rud - питомий опір трубки, що досліджується; L - довжина трубки, що досліджується, з опором Rx; Rx - опір трубки, що досліджується з довжиною L, розрахований за формулою (10). Після цього необхідну довжину каліброваної трубки із заданим опором розраховують за формулою: Ld=Rd/Rud, (12) де: Ld - довжина трубки, що забезпечує заданий калібрований опір Rd; Rd - величина необхідного каліброваного опору; Rud - величина питомого опору трубки, що досліджується. Приклад конкретного розрахунку й виготовлення каліброваного опору. Завдання - розрахувати довжину каліброваної трубки, що має заданий опір 500 Па·сек.·л-1. Вихідні дані: трубка із внутрішнім діаметром 0,43см, довжиною 267см. Дані вимірювань: Q1=V1/Т1=4,880 л/45 сек=0,108л·сек-1 (об'ємна швидкість повітряного потоку в системі «повітродувка підвідна трубка спірометр») Q2=V2/Т2=4,280л/90 сек. - 0,048л·сек-1. (об'ємна швидкість повітряного потоку в системі «повітродувка - трубка, що досліджується - підвідна трубка - спірометр») Тиск (Р) при закритій заслінці однаковий за обох вимірювань і дорівнює 500 Па. 42959 8 Розраховують опір трубки, що досліджується, за формулою (10): Rx=P·(Q1-Q2)/(Q1·Q2). Підставляють у формулу конкретні значення: Rx=500 Па·(0,108-0,048) л·сек-1/(108 л·сек1 ·0,048 л·сек-1)= =500 Па·0,06 л·сек-1/00518 л2·сек-2= =30 Па·сек.·л-1./00518 л2·сек-2=5792 Па·сек.·л-1. Питомий опір трубки, що досліджується дорівнює: Rud=Rx/L=5792 Па·сек.·л-1/267 см=21,69 -1 -1 Па·сек.·л ·см . Довжина трубки, що забезпечує заданий опір Rd=500 Па·сек.·л-1 дорівнює: Ld=Rd/Rud=500 Па·сек.·л-1/69 Па·сек.·л-1·см1 =23,052 см. Таким чином, трубка, що досліджується, довжиною 23см має опір 500 Па·сек.·л-1 і може використовуватись як калібрований опір під час дослідженні бронхіального опору за запропонованим способом. Приклад розрахунку бронхіального опору (Raw) за запропонованим способом. Обстежуваний робить видих через калібровану трубку з опором Rd=500 Па·сек.·л-1. Під час видиху за допомогою заслінки роблять короткочасне (0,1 сек.) перекриття повітряного потоку. Під час перекриття за допомогою датчика малих тисків (наприклад, типу ASDXL010G24R фірми Honeywell) вимірюють тиск (Р) на межі між легенями й каліброваним опором. Цей тиск відповідає альвеолярному. Відразу після наступного відкриття заслінки (0,1сек.) роблять повторний вимір тиску (Р1) у повітропроводі в тому ж місці на межі між легенями й каліброваною трубкою. У результаті проведених вимірів отримано наступні дані: Р=350 Па (тиск після закриття заслінки) Р1=210 Па (тиск після відкриття заслінки) Raw=Rd·(P/Pl-l)= =500 Па·сек.·л-1·(350 Па/210 Па)-1)= =500 Па·сек.·л-1·(1,67-1)= =500 Па·сек.·л-1·0,67= =335 Па·сек.·л-1. Таким чином, бронхіальний опір, який досліджується за запропонованим способом, дорівнює 335 Па·сек.·л-1, або 0,335 кПа·сек.·л-1. Позитивний ефект запропонованого способу вимірювання бронхіального опору полягає в спрощенні дослідження за рахунок вилучення необхідності вимірювання об'ємної швидкості потоку повітря, що, у свою чергу, вимагає використання спеціального датчика (наприклад, пневмотахометра). 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 42959 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601