Спирометры и спирографы

Спирометры (лат. spirare — дышать, выдыхать + греч. metreo — мерю) — приборы для исследования внешнего (легочного) дыхания (легочной вентиляции) путем измерений легочных объемов.

Кроме легочных объемов спирометры (при использовании соот­ветствующих методик) позволяют определять основные показатели легочной вентиляции, исследовать механику дыхания и оценивать результаты терапевтических воздействий. Принято различать четы­ре первичных легочных объема и четыре емкости (см. табл. 10.2 и рис. 10.11).

Таблица 10.2. Легочные объемы и емкости

В зависимости от измеряемой величины различают волюмоспиро- метры (фр.

Имеется множество конструкций волюмоспирометров. В зависи­мости от наличия или отсутствия в конструкции спирометра затвор­ной жидкости (обычно воды) различают водяные и сухие (безводные) спирометры. К водяным спирометрам относятся колокольные и ба­рабанные, а к сухим — меховые, клиновые, сильфонные, роликовые, ми­ниатюрные счетчики с тангенциальной турбинкой и мешки.

Максимальный

Рис. 10.11. Схема водяного колокольного волюмоспирометра (а) и его сигналы (б и в):

12 11 10

На рис. 10.11, а показана схема водяного колокольного волюмоспирометра. Основным элементом спирометра яв­ляется легкий металлический колокол, имеющий форму цилиндра и помещенный в узкое пространство между двумя цилиндрами (двой- / — входная линия; 2 — вода; 3— цилиндрическая емкость с двойной стенкой; 4 — нить; 5, 6— ро­лики; 7— преобразователи угловых перемещений ролика 6\ 8— самопишущий вольтметр или циф­ровое устройство обработки и отображения информации; 9 — барабан с диаграммной бумагой; 10— зажим; 11 — узел клапанов; 12, 14 — клапаны; 13 — фильтр; 15 — чернильница с пером; 16— противовес; 17 — колокол; 18 — выходная линия ная стенка емкости). Вода, заполняющая это пространство, создает гидравлический затвор, который обеспечивает герметичность изме­рительного объема У_и колокола при всех его вертикальных перемеще­ниях. Вес колокола уравновешивается с помощью противовеса, кото­рый подвешен на недеформируемой нити, переброшенной через ро­лики. На противовесе закреплена чернильница с пером.

Существует несколько схем подключения спирометра к пациенту. На рис.

В процессе обследования, при котором с помощью зажима ис­ключается дыхание через нос, при выдохе колокол перемещается вверх, а при вдохе — вниз. При этом спирометр практически не ока­зывает сопротивления процессу дыхания. Напротив, противовес с чернильницей и пером при выдохе перемещается вниз, а при вдохе вверх. Поэтому на диаграммной ленте, вращающейся с постоянной скоростью барабана, выход записывается при перемещении пера вниз, а вдох — вверх.

Одновременно с перемещением колокола и противовеса за счет трения между нитью и одним из роликов (на рис. 10.11, б бблыним по диаметру) последний поворачивается. С ним механически соеди­нен преобразователь перемещений, часто реостатный, который вы­рабатывает сигнал напряжения постоянного тока. Этот сигнал реги­стрируется самопишущим потенциометром или вольтметром (см. гл. 3). Он может быть также преобразован в цифровую форму и введен в компьютер.

Объем водяных колокольных волюмоспирометров от 1 до 6 л, а основная погрешность ±(2—6) %.

На рис. 10.11, б показана типичная спирограмма. На этом же ри­сунке для наглядности обозначены все легочные объемы и емкости, информация о которых приведена в табл. 10.2.

Использование описанного спирометра позволяет определить пять основных объемов и емкостей: ДО, РО_вд, РО _выд, ЖЕЛ, Е_вд. Для

нахождения ФОЕ, OOJI и OEJI необходимо применять специальные методики.

Основные показатели ЖЕЛ определяются после периода спокой­ного дыхания следующим образом: пациент сначала делает макси­мальный вдох, а затем максимальный выдох.

Важным приемом спирометрического обследования является тест, предусматривающий определение форсированной жизненной ем­кости легких при выдохе (ФЖЕЛ), который позволяет определить наи­более информативные скоростные показатели легочной вентиляции при форсированном выдохе. При выполнении этого теста пациент гак же, как и при определении ЖЕЛ, делает максимально глубокий вдох, а затем, в отличие от определения ЖЕЛ, выделяет воздух с мак симально возможной скоростью (форсированный выдох). Форма по лучаемой при этом спирограммы показана нарис. 10.1 \,в. Путем ана лотовой электронной или цифровой обработки сигнала, возникаю щего на выходе преобразователя угловых перемещений (см. рис. К). 11, и), который несет информацию об измеряемом объеме во времени И/), определяют следующие важные дня диагностики показатели:

объем форсированного выдоха за одну (первую) секунду (ОФВ,) — пу­тем интегрирования функции V(t) на отрезке времени от 0 до 1 с;

объемы форсированного воздуха за две и три секунды ОФВ₂; ОФВ₃ (в некоторых случаях) — путем интегрирования функции V{t) на отрез­ке времени соответственно от 0 до 2 с и от 0 до 3 с;

ФЖЕЛ — путем интегрирования функции на отрезке времени от 0 до момента окончания выдоха t_K (см. рис. 10.11, в); отношение (ОФВ^ФЖЕЛ) • 100 (%) — индекс Тиффно; пиковую объемную скорость — в спирометрах принято называть объемный расход объемной скоростью выдоха (ПОС,_1ЫЛ);

максимальную объемную скорость форсированного выдоха — пу тем дифференцирования функции V(t) в начальной стадии выдоха;

максимальные объемные скорости выдоха, соответствующие 25, 50 и 75 % форсированной жизненной емкости легких (МОС₂₅%, МОС₅₀%, МОС_75%), определяемые путем вычисления значений про­изводной в точках 25 % ФЖЕЛ, 50 % ФЖЕЛ и 75 % ФЖЕЛ (см.

10.11, в);

среднюю объемную скорость выдоха на интервале значений ФЖЕЛ от 25 до 75 % (СОС₂5_75 %).

Кроме спирометра, схема которого показана на рис. 10.11, а, ис­пользуют волюмоспирометры других конструкций. Все они являются достаточно сложными механическими устройствами. Для пояснения принципов функционирования на рис. 10.12 приведены упрощенные схемы некоторых волюмоспирометров.

а

п w Ч

11 Z

г

Рис. 10.12. Схемы волюмоспирометров:

1 — вода; 2 — барабан; 3 — стрелка; 4 — шкала; 5 — входная линия; 6 — узел клапанов; 7 — выходная линия; 8— корпус; 9— передаточный механизм; 10— тангенциальная турбинка; 11— каплеулови- тель (конденсатор); 12 — рычажный механизм; 13 — пластина; 14 — кран; 15 — дроссель сброса; 16 — обратный клапан; 17— мех; 18— сильфон; 19— недеформируемая нить; 20— ролики; 21 —

противовес; 22 — основание

Барабанный волюмоспирометр (рис. 10.12, а) яв­ляется водяным. В нем используется поворотный колокол (барабан), установленный на подшипниках (на рисунке не показаны) и разме­щенный в затворной жидкости, заполняющей цилиндрический кор­пус спирометра. Через входную и выходную линии и узел клапанов внутренняя измерительная полость V„ спирометра соединяется с па­циентом. При дыхании пациента колокол поворачивается. При этом увеличивается или уменьшается степень его погружения в воду. По­казания спирометра считывают по положению стрелки на шкале, а с помощью измерительного преобразователя угловых перемещений могут быть выведены на регистрацию. Диапазон измерений такого спирометра составляет от 1 до 6, 8 и 10 л, а основная относительная погрешность — ±5%.

Турбинные волюмоспирометр ы (рис. 10.12, 6) относят к сухим или безводным. Спирометр представляет собой ми­ниатюрный турбинный счетчик (см. рис. 10.9) с тангенциальной тур-

бинкой. Газ поступает от пациента через каплеуловитель (конденса­тор). Под действием кинетической энергии потока, поступающего в спирометр газа, тангенциальная турбинка совершает вращательное движение.

Основным элементом мехового спирометра, пока занного на рис. 10.12, в, является мех (мешок), в который при дыха нии через конденсатор поступает воздух, причем в мех поступає і только часть выдыхаемого газа, а другая его часть сбрасыиае н и и at мосферу через постоянный по сопротивлению дроссель І ІОСгунне ние воздуха во внутреннюю полость меха приводит к его раздуванию, а перемещение верхней стенки меха через воспринимающую плас гм ну, рычажный механизм и передаточный механизм вызывает переме­щение стрелки по шкале. Сброс газа из меха после измерения осуще­ствляется через двухходовой кран.

Более совершенными спирометрами, снабженными мехом, явля­ются так называемые клиновые спирометры, имеющие достаточно сложную конструкцию. Здесь выдыхаемый газ попадает в камеру, ограниченную двумя металлическими крышками, соединен­ными шарниром вдоль одного края. Пространство между этими крышками ограничено мехом, образующим стенки камеры. Одна из крышек, в которой находится входное отверстие, прикреплена к кор­пусу прибора, а другая способна свободно отклоняться и переме­щаться относительно первой. Когда газ поступает в камеру спиромет­ра или выходит из нее, подвижная крышка перемещается и компен­сирует тем самым изменение объема газа в камере. Такой спирометр обычно снабжается измерительным преобразователем перемещений подвижной крышки в электрический сигнал.

Существуют безводные волюмоспирометры — поршневые спирометры, в которых изменяемый объем камеры образуется парой цилиндр — поршень, а под действием изменяющегося объема газа происходит перемещение поршня.

Схема сильфонного волюмоспирометра пока­зана на рис. 10.12, г. Здесь выдыхаемый газ вводится через каплеуло­витель в камеру, образованную внутренней полостью легкого силь­фона (см. гл. 9), который укреплен на жестком основании. Ксильфо- ну через недеформируемую нить, размещенную в роликах, прикреп-

Рис. 10.13. Схемы пикфлуометров:

/— мундштук; 2— выступ; 3— подвижный указатель; 4— шкала; 5— щель; 6— корпус; 7— под­вижная пластина; 8 — диафрагма; 9, 16— гибкие трубки; 10— мембранный дифференциальный манометр; // — стрелка; 12 — передаточный механизм; 13 — мембранная коробка; 14— вентиль;

15 — обратный клапан

лен противовес, который снабжен стрелкой. При поступлении газа в камеру или при отводе его из камеры возникает деформация сильфо­на, что вызывает перемещение противовеса, и стрелка показывает значение объема газа в камере. Диапазон измерений такого спиро­метра составляет 0,5—7 л, а основная относительная погрешность — ±3 %.

Флоуспирометры (пневмотахометры). Этими приборами можно измерять объемный расход (объемную скорость) газа. Флоуспиро­метры работают в так называемой открытой системе, т. е. пациент дышит через трубку по открытому контуру, не испытывая дополни­тельно сопротивления дыханию, как при обычной спирометрии.

Простейшими флоуспирометрамиявляются пикфлоумет- р ы (рис. 10.13), которыми измеряют максимальную объемную ско­рость газа при форсированном выдохе.

Пикфлоуметр (рис. 10.13, о) содержит цилиндрический корпус, в которой размещена тонкая подвижная пластмассовая пластина, пе­рекрывающая все внутреннее сечение цилиндрического корпуса. Эта пластина снабжена выступом, входящим в щель, выполненную в кор­пусе вдоль его образующей, а вдоль этой щели расположена шкала. В самой же щели установлен подвижный указатель. Перед измерени­ем указатель и пластину устанавливают в крайнее левое положение. В процессе форсированного выдоха на пластину действует сила R, создаваемая аэродинамическим напором, которая описывается вы­ражением

9 О²

R-pFW ⁼Р^т,

где F — площадь поверхности пластины, практически равная площа­ди поперечного сечения корпуса.

Под действием силы R пластина перемещается вправо и сжимает воздух, находящийся во внутренней полости корпуса. Если пренеб­речь утечками выдыхаемого воздуха и утечками сжимаемого воздуха через щель в процессе движения пластины, и принять, что воздух вы­полняет функцию пружины с жесткостью с, то при максимальном пе­ремещении 5_тах пластины при однократном форсированном выдохе можно получить приближенную зависимость:

где Q_m._M — максимальная объемная скорость при выдохе.

Из-за наличия утечек эта зависимость существенно искажается. Однако из нее можно видеть, что перемещение пластины, а вместе с ней и указателя, который перемещается за счет воздействия на него выступа пластины, несет информацию об объемной скорости мри выдохе. При достижении максимальной объемной скорости при вы­дохе сила R достигает максимума. В последующей стадии выдоха, так как сила R уменьшается, пластина остается неподвижной, и с помо­щью указателя по шкале определяется максимальное значение объ­емной скорости в процессе выдоха. Диапазон измерений таких пик- флоуметров составляет 0—350 и 0—700 л/м. С позиции метрологии они являются индикаторами объемной скорости.

Большей точностью обладает пикфлоуметр, схема которого пока­зана на рис. 10.13,6. Он представляет собой дроссельный расходомер, в котором в качестве дросселя используется диафрагма с диаметром отверстия 10 или 20 мм. Корпус спирометра подключен двумя гибки­ми трубками к дифференциальному мембранному манометру, чувст­вительным элементом которого является мембранная коробка, при­чем «плюсовое» давление подводится к внутренней полости этой ко­робки, а «минусовое» — к камере, где располагается мембранная ко­робка. При форсированном выдохе в момент, когда объемная скорость через сужающее устройство достигает максимального зна­чения, перепад давлений на диафрагме также достигает максималь­ного значения, т. е. наблюдается максимальный перепад давлений, значение которого измеряется мембранным дифференциальным ма­нометром. После достижения в процессе форсированного выдоха максимальной объемной скорости разность давлений Р_г — Р₂ умень­шается (давление Р₂ близко к атмосферному). При этом закрывается обратный клапан и положение стрелки дифференциального мано­метра уже не изменяется, т. е. запоминается максимальный перепад давлений. Так как шкала дифференциального манометра отградуи­рована в единицах расхода газа, то по углу отклонения стрелки опре­деляют максимальное значение объемной скорости. Впоследствии показания дифференциального манометра постепенно уменьшаются за счет утечки газа через обратный клапан. Для быстрого возвраще­ния спирометра в исходное положение служит вентиль, с помощью которого внутренняя полость мембранной коробки сообщается с ат­мосферой. Погрешность измерений таких спирометров ± (5—10) %.

Наиболее совершенными являются спирометры, цифровые микропроцессорные или компьютерные флоуспи- рометры, в составе которых имеются цифровое вычислительное уст­ройство и соответствующие устройства ввода-вывода.

Выпускаются карманные, переносные и стационарные цифровые флоуспирометры с разными информационными возможностями. Все флоуспирометры содержат блок измерения объемного расхода и блок обработки и отображения информации.

В простейших моделях флоуспирометров, например в карман­ных, оба блока размещаются в общем корпусе.

Нарис. 10.14, а показана упрощенная схема цифрового флоуспи- рометра. Как видно из рисунка, такой спирометр содержит два на­званных выше блока. При этом в блоке измерения расхода располага­ется тот или иной датчик расхода (пневмотахометрический датчик). Здесь применяют различные дроссельные, ультразвуковые, тепло­вые, турбинные датчики, а также датчики скоростного напора. В не­которых моделях флоуспирометров датчики расхода нагреваются с помощью электронагревателя для предотвращения конденсации в них паров воды, содержащихся в выдыхаемом газе (система нагрева­ния для упрощения рисунка не показана).

При спокойном дыхании сигнал, вырабатываемый блоком изме­рения расхода, имеет форму, показанную на рис. 10.14, б.

Рис. 10.14. Схема цифрового флоуспирометра:

I — блок измерения расхода; 2— прищепка; 3 — блок обработки и отображения информации; 4 устройство измерения сигнала датчика расхода; 5—датчикдавления; 6, 7—электронные усилите ли; 8— мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь; 9— цифровое вычислительное уст­ройство; 10 — устройство отображения информации; II — клавиатура; 12 — принтер

Q, л/с ПОС

Процедура исследований с помощью флоуспирометров напоми­нает таковую при записи обычных спирограмм. После некоторого пе­риода спокойного дыхания пациент делает максимальный вдох, а за­тем — форсированный выдох. В блоке обработки и отображения ин­формации воспринимается сигнал датчика расхода. Затем этот сиг­нал усиливается, преобразуется в цифровую форму и вводится в цифровое вычислительное устройство. В это же устройство после со­ответствующего преобразования вводится сигнал датчика давления. В вычислительном устройстве осуществляется обработка сигнала датчика расхода с учетом статической характеристики последнего.

Например, если в качестве датчика расхода используется дроссель­ный с сужающим устройством (см. рис. 10.2, б), то из сигнала датчика извлекается квадратный корень [в соответствии с выражением

(10.3) ]. Для приведения значения расхода Q к нормальным условиям осуществляется его коррекция с учетом сигнала датчика давления. Для этого используется выражение

o.=of.

Н

где