CC BY
42
УДК 615.8:612.2, 681.518.5
МЕТОД ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ДРОССЕЛЬНОГО РЕЖИМА
ВОЗДЕЙСТВИЯ
Н.В. Ивахно
Рассмотрен метод диагностики состояния дыхательной системы в результате задания уровней сопротивления в контуре, приведен параметрический анализ и математическое описание функциональной зависимости давления с использованием аппроксимирующих функций для формирования оценки изменения состояния человека и настройки режимов тренажеров дыхательной мускулатуры.
Ключевые слова: характеристика давления, сопротивление дыхательного контура, уровень нагрузки, параметрический анализ, аппроксимирующие функции, состояние человека.
Одним из режимов функционирования дыхательных тренажеров является дроссельный, при котором происходит создание добавочного сопротивления в контуре тренажера [1], что может применяться для повышения эффективности лечебно-профилактических, физкультурно-оздоровительных и реабилитационных мероприятий [2]. Основой функционирования таких устройств является способность обеспечения режимов самонастройки, базирующихся на исследовании характеристик давления [3]. При разработке систем адаптации к дыханию человека, прежде всего, ставится задача: система должна выполнять функциональное назначение, определяемое целью управления с наилучшими показателями качества и для разработки таких систем применяют принцип оптимальности, позволяющий обеспечить наилучшее выполнение цели управления [4]. Следует учитывать тот фактор, что система полностью неизвестна и во время дыхания требуется определить такие параметры воздействия тренажеров дыхательной мускулатуры, чтобы она была оптимальной по принятому показателю качества [4]. Применение принципа адаптации позволяет искусственно создать эффект приспособления к изменяющемуся дыханию пациента за счет того, что часть функций по получению, обработке и анализу недостающей информации осуществляется самой системой в процессе работы тренажера с помощью специального блока диагностики. Это позволяет существенно снизить влияние неопределенности на качество воздействия тренажеров и скомпенсировать недостаток априорной информации о дыхании пациента.
При проведении параметрического анализа исследованы результирующие экспериментальные характеристики взаимодействия биотехнической системы «человек - тренажер» в дыхательном контуре макетного образца, согласно структурной схеме, представленной в [3,5].
92
Для нахождения информационных параметров введены нагрузочные сопротивления относительно начального уровня - свободное дыхание без сопротивления с обозначением Я0, полностью перекрытый дыхательный контур обозначен как Я, количество уровней нагрузочных воздействий - N тогда последовательное изменение нагрузки разобьется на N интервалов и обозначится г = 0,1...N. Для проведения исследования задано N = 4, каждый уровень вызывает изменение площади перекрытия дыха-
й б 100 о/
тельной трубки относительно исходного на -%, тогда перекрытие
N +1
площади сечения на 20% от исходной обозначится Я1 и т.д. В соответствии с указанными нагрузками измерены выходные характеристики, обозначение которых приведено в табл. 1.
Таблица 1
Обозначения характеристик при нагрузочных тестах (N = 4)
Перекрытие площади, % 0 20 40 60 80 100
Обозначение нагрузки Я = 0 Я1 = 0,2Я Я2 = 0,4Я Я3 = 0,6Я Я4 = 0,8Я Я
Выходная характеристика давления Р0(0 Р^) Рг(0 РК0 Р4(0 -
Фаза вдоха/выдоха Т0 Т1 Т2 Тз Т4 -
Характеристики давления нормировались относительно максимально возможного значения давления, измеренного в процессе начального исследования дыхания каждого человека:
Р« )
Ргпогт ( )
Р
1 тах
где Ргп0гт (/) - нормированная характеристика давления, Рг (/) - измеряемая характеристика давления в дыхательной трубке при г - ой нагрузке, Ртах^)- максимальное давление вдоха/выдоха, фиксируемое в момент проведения начального исследования каждого пациента. Блок диагностики состояния пациента в структуре автоматизированного тренажера дыхательной мускулатуры представлен на рис. 1
Вид нормированных графиков давления, полученных при разных нагрузках, представлен на рис.2. В результате анализа многочисленных экспериментальных данных установлено, что взаимосвязь между задаваемым сопротивлением и измеряемыми характеристиками не является линейной.
Рис. 1. Структурная схема комплекса диагностики состояния
дыхательной системы
а б
Рис. 2. Примеры различных характеристик давления в дыхательном контуре при дроссельном типе воздействия (фаза выдоха): а - испытуемый 1; б - испытуемый 2; 1 - свободное дыхание -Щ = 0; 2 - дыхание через сопротивление -= 0,2^;
3 - дыхание через сопротивление - Яз = 0,6Я
Как видно из рис. 2 фазу вдоха/выдоха можно разбить на два участка и аппроксимировать линейными функциями, угол наклона которых несет информацию о состоянии дыхательной системы пациента (табл.2).
Таким образом, обобщенное математическое описание при дроссельном типе воздействия представляется совокупностью двух линейных функций:
Jajt + bj, при 0 < t £ tнi, Z Ißjt + Cj, при н < t £ Tj -1
где az-, ßj - углы наклона при возрастании и убывании аппроксимирующей функции j нагрузки, tHi - время нарастания кривой давления до максимального, bj, Cj - коэффициенты, Tj - длительность фазы вдоха/выдоха. Пример аппроксимации приведен на рис.3 для нормированной кривой давления при R3 = 0,6R.
Таблица 2
Значение коэффициентов аппроксимирующих функций при проведении нагрузочных тестов (фаза выдоха)
нагрузка испытуемый Ro R1 R3
при возрастании Pj(t)
1 0,0139 0,0185 0,0185
2 0,0104 0,084 0,0068
3 0,0139 0,0185 0,0184
при убывании Pj(t)
1 -0,0032 -0,0027 -0,0032
2 -0,0019 -0,0015 -0,0013
3 -0,0032 -0,0027 -0,0032
Рис. 3. Аппроксимация линейными функциями фазы выдоха при дроссельном типе воздействия: а - интервал 0 < ^ £ н;
б - интервал н < ^ £ Т3 - н
Анализ характеристик давления показывает (рис.4), что изменяемыми параметрами, характеризующими состояние дыхательной системы человека являются: соотношение длительности фазы вдоха/выдоха дыхания без нагрузки к последовательно нагруженному - —,...,—углы на-
Т0 Т0
клона аппроксимирующих кривых - ао,Ьо,...,аN,РN, соотношение времени нарастания кривой давления до максимума при нагрузке ко времени
при свободном дыхании
¿н\ tнN
Обобщенная матрица, характеризую-
^0 tн0
щая состояние человека, уровень его тренированности описывается в виде:
а 0 р 0 t но То
м =
ау
tl
Т
Р/ 1Ш а N Р N tнN
На рис.4. приведен пример графиков давления при разной нагрузке 1 - свободное дыхание - Я0; 2 - дыхание через сопротивление - Я\ = 0,2Я 3 - дыхание через сопротивление - Я3 = 0,6Я. Для третьего графика построены аппроксимирующие линейные функции.
Рис. 4. Параметрический анализ характеристик давления при различной нагрузке в дыхательных тренажерах
Данные характеристики и их изменение при создании дополнительной нагрузки являются диагностическими параметрами, позволяющими осуществлять анализ воздействия тренажеров в дроссельном режиме, прогнозировать изменение состояния дыхательной системы пациента и своевременно осуществлять корректировку управляющих воздействий. Приведенная методика диагностики и параметрического анализа кривой давления может находить применение в любых типах тренажеров дыхательной мускулатуры.
Список литературы
1. Федоров С.Ю., Цкипури Ю.И., Хадарцев В.А. Тренировка дыхательной аппаратуры // Вестник новых медицинских технологий. Тула: 2009. Т.ХУ1. С.154 -156.
2. Ивахно Н.В. Обобщенная структура комплексов интеллектуального тренажерного воздействия на дыхательную систему //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. №11 (81). С. 110-114.
3. Ивахно Н.В., Федоров С.С. Принцип построения математической модели процесса обработки сигналов при распознавании дыхательной активности в системах интеллектуального тренажерного воздействия // Биотехносфера. 2014. №5 (35). С. 19-22.
4. Нестационарные системы автоматического управления: анализ, синтез и оптимизация/ под ред. К. А. Пупкова и Н.Д. Егупова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 632 с.
5. Патент на полезную модель № 151213. Дыхательный тренажер / Н.В. Ивахно, Н.Д. Гаськова, С.С. Федоров. Опубликовано 27.03.2015.
Ивахно Наталия Валериевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
A METHOD OF DIAGNOSING THE RESPIRATORY THROTTLE THE SYSTEM IN THE
MODE OF ACTION
N.V. Ivakhno
The method of diagnosing the state of the respiratory system resulting in job levels of resistance in the breathing circuit, and is a parametric analysis of the mathematical description of the functional dependence of the pressure using approximating functions to form an estimate of the human condition and change mode settings simulators respiratory muscles.
Key words: characteristics of pressure resistance of the breathing circuit, the load level parametric analysis, approximating functions, the human condition.
Ivakhno Natalia Valerievna, candidate of technical science, docent, natalia [email protected], Russia, Tula, Tula State University
