Определение состояния человека по характеристикам его дыхания Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЕГО ДЫХАНИЯ Г.Н. Лукьянов, А.А. Рассадина, В.И. Усачев

Рассмотрено современное состояние диагностики органов дыхания у людей. Показано, что существующие диагностические методы значительно сглаживают гидродинамические процессы дыхания. Предложена собственная методика диагностирования, базирующаяся на методе термоанемометрии.

Введение

Диагностирование заболеваний дыхательной системы заключается в исследовании динамических характеристик скорости воздушного потока, объемного расхода воздуха и давления внутри дыхательной системы. Существуют разнообразные методики для изучения дыхания [1], в которых имеется один общий недостаток - нарушение процессов естественного дыхания у человека. Причина заключается в том, что при воплощении таких методик исследуемый человек должен дышать при одной закрытой ноздре или с принудительной подачей воздуха через нос. На лицо ему надевается маска с калиброванной трубкой, в которой измеряется давление и расход. Таким образом, игнорируется влияние на воздушные токи внутреннего состояния полости носа и дыхательной системы в целом, что приводит к искажению основного характера динамических характеристик дыхания.

Дыхательная система человека является сложной разветвленной структурой нерегулярных каналов. Поэтому движение воздуха внутри такой структуры намного сложнее, чем, например, по вентиляционным трубам в каком-либо здании. Для изучения такого движения требуется иметь специальное оборудование - систему измерения каких-либо параметров человеческого дыхания.

Дыхание является динамическим процессом, поэтому применяемая система должна обладать достаточным быстродействием, чтобы не утратить информацию о его временной структуре. Без выполнения этого условия правильная диагностика состояния органов дыхания является проблематичной, поскольку не отражает сложный, турбулентный характер движения воздуха. Параметры, регистрируемые таким оборудованием, будут усредненными, не отражающими процессов, протекающих внутри дыхательных каналов.

Перечисленным требованиям удовлетворяет метод термоанемометрии, который лег в основу настоящих исследований.

Метод

Среди методов изучения человеческого дыхания наибольшее распространение получило оценивание гидравлического сопротивления носа по результатам измерений скорости и давления воздушного потока [1]. Получаемые при этом усредненные величины расхода и давления воздуха в трубке, через которую дышит человек, в общем, слабо зависят от его состояния. Диагностировать по таким результатам может только специалист, обладающий высокой квалификацией. Более правильным явилось бы измерение давления, расхода и температуры непосредственно в полости носа, без использования дыхательных трубок, что позволило бы изучать и учитывать более тонкие процессы, чем описано в [1].

Для реализации указанных подходов разработан многоканальный прибор, позволяющий снимать показания необходимых параметров дыхания (давления, скорости и температуры) непосредственно в полости носа, в обеих его половинках, не искажая естественное дыхание человека.

Значения скорости V при дыхании находятся в диапазоне от V=0,5 м/с до V=5 м/с. Температура воздуха U на входе в нос может изменяться от значения температуры окружающей среды при вдохе, до значения 4 = 36-37 С у здорового человека при выдохе. Проведенные опыты показали, что максимальное значение перепада давления у здорового человека достигает величины АР примерно равной 200 Па.

Для определения скорости используются термоанемометры, созданные на базе термометров типа СТ1-18. Разогрев термисторов осуществляется стабилизированным током. Для измерения перепада давления используются датчики типа 26PC01SMT фирмы Honeywell. Для измерения температуры использованы терморезисторы СТ1-18, отградуированные в диапазоне от 20 С до 40 С. Датчики размещены на специальной клипсе, которая крепится внутри полости носа. Конструкция клипсы приведена на рис.1. Здесь терморезисторы №1 и №3 работают как анемометры, терморезисторы №2 и №4 работают как термометры. Отводные трубки, закрепленные с двух сторон клипсы, ведут к датчикам давления.

Рис. 1. Конструкция клипсы

Анцева

Левая полость носа

Правая полость носа

время, с время, с

Рис. 2. Показания датчиков при диагностировании больного

Сигналы с датчиков поступают на блок масштабирующих усилителей, которые через интерфейсную плату Ь-154 связаны с компьютером. На мониторе в удобной для просмотра графической форме отображается характер изменения снимаемых датчиками параметров скорости воздушного потока, давления и температуры от времени (рис. 2).

Практические результаты

На рис. 2 виден хаотичный характер исследуемых характеристик, обусловленный турбулентностью, возникающей при прохождении воздуха через полость носа.

Более глубокое исследование турбулентных процессов дыхания осуществлялось посредством вычисления спектральной плотности мощности (СПМ) и корреляционной размерности измеряемых параметров. Также рассматривалась фазовая траектория исследуемых характеристик и взаимосвязь между временной задержкой и частотой пиков спектральной плотности мощности. Полученные результаты были обобщены в таблицы, пример одной из которых для человека с затрудненным носовым дыханием представлен на рис. 3.

30 35

^те, эес

30 35

^те, эес

Рис. 3. Диагностическая таблица. Больная Анцева Н. Б. Диагноз: искривление

перегородки носа, гайморит

Для диагностирования состояния используются пики функции СПМ, их высота и форма. Так, у здоровых людей количество пиков, как правило, равно двум (рис.4), из них второй пик меньше первого. Его высота характеризует степень проходимости носа: чем выше пик, тем диагностируемый пациент дышит хуже.

Корреляционная размерность (рис.3), 1П(с (г ))

Бе =

1П(г )

используется для определения размерностей аттракторов, построенных по опытным данным. Здесь

N-1

1 ( \ С (г) = ^ —2 2 н (г - X - ху)

2 / ^ ^ N 2 у=0

г - радиус сферы, для которой определяется число точек Ы(г), оказавшихся внутри сферы, Н - функция Хевисайда,

1, (r - X- xj w 01

0, ( - xi - xj )< 0_

X, Ху - векторы из начала координат к точкам траектории с номерами /, у; N - число точек на траектории.

Анализ корреляционной размерности показал следующие ее значения для здоровых и больных людей:

• у здоровых людей корреляционная размерность Пс составляет величину Пс<2;

• у больных она равна Пс=2 и выше, в зависимости от вида заболевания.

Рис. 4. СПМ для скорости воздуха в одной из половин носа при диагностировании

здорового пациента

Анализируя фазовое пространство левой и правой полостей носа больного (рис. 3),. можно выявить затруднительный вдох через левую ноздрю, отраженный через спиралевидные завихрения его правой части и свободный выдох (левая часть рисунка). Вместе с тем струя воздуха встречает значительные затруднения в правой ноздре как при вдохе, так и при выдохе, возрастающие в начальный момент вдоха. Временная задержка фазовой траектории определяется частотой наибольшего пика СПМ.

Заключение

В рассматриваемом методе впервые миниатюрные датчики скорости воздушного потока, давления и температуры были расположены внутри полости носа на пути вдыхаемого воздуха, что позволило не затруднять естественное дыхание человека. Результаты наблюдений выявили сложный хаотический характер изменения скорости воздушного потока во времени. Поэтому для определения состояния человека более удобен спектральный и корреляционный анализ измеряемых величин.

Литература

1. Пискунов Г.З. Пискунов С.З. Клиническая ринология. М.: Миклош, 2002 390 с.

2. Chaotic Behavior by the Air Flow of the Breath of Human Being / G. Lukyanov, V. Usachev // Physics and Control conference proceedings, Saint-Petersburg, 2003, p. 295298