Содержание
Введение
1 Устройство прибора
2 Программное обеспечение и обработка сигналов
3 Режимы измерений и вычисления параметров механики дыхания
Вывод
Перечень литературы
Введение
Целью данной работы было создание прибора для исследования биомеханики дыхания в условиях космического полета. Такой прибор должен быть достаточно простым в использовании, так как с ним должен работать оператор, не являющийся специалистом в области физиологии дыхания или пульмонологии. Прибор, выполняет две функции.
Первая функция — измерение всех обычных объемно-скоростных показателей функции легких (дыхательный объем, частота дыхания, минутная вентиляция легких, жизненная емкость легких, резервные объемы вдоха и выдоха, пиковые скорости вдоха и выдоха, индекс Тиффно и т. д.). Для измерения объемной скорости потока воздуха использован сетчатый датчик типа Лилли с дифференциальным манометром. Измеренные мгновенные величины потока через АЦП поступают к встроенному ПК, который вычисляет все производные параметры, выдаваемые на принтер и экран. Проблемы разработки пневмотахометров такого типа достаточно подробно освещены в литературе, поэтому здесь рассматриваться не будут.
Вторая функция прибора — определение параметров механики дыхания методом вынужденных колебаний. Данный метод был предложен давно, но из-за относительной сложности метода и нерешенности многих технических вопросов он пока не нашел столь широкого применения, как пневмо-тахометрия. Метрологическое обеспечение метода вынужденных колебаний — калибровка, оценка ошибки определения импеданса — необходимо как для «космического», так и для любого клинического варианта прибора. Поэтому в данной статье основное внимание уделено техническим и метрологическим вопросам разработки приборов, основанных на методе вынужденных колебаний.
В основе метода лежит следующая процедура измерений. С помощью внешнего устройства (динамика или насоса) создают колебания потока и давления воздуха в определенном диапазоне частот. Колебания давления регистрируются манометром, колебания потока — пневмотахометром или фотоэлементом, связанным с движением мембраны насоса.
Рисунок 1 - Фотография осцилляторного блока.
Для рассматриваемого прибора разработан выносной осцилляторный блок, в котором объединены осцилляторный насос и датчик давления (рис. 1). К осцилляторному блоку подсоединены эталонная трубка и мундштук с загубником и сеткой. Обследуемый пациент во время измерений держит за ручку этот блок (массой около 1 кг) и дышит через него. Благодаря такому конструктивному решению выносной блок соединен с основной частью прибора только электрическими проводами без пневматических соединений. Насос создает колебания потока на пяти определенных частотах с последовательным переключением их по сигналу от ПК. Положение поршня насоса регистрируется фотоэлементом, давление на выходе насоса — датчиком давления. По измеренным сигналам давления и потока определяется механический импеданс подсоединенной системы (действительная и мнимая части). Далее по действительной части импеданса определяется сопротивление; а по мнимой части импеданса — растяжимость и инерционность всей системы дыхания, верхних дыхательных путей, а также системы дыхания без верхних дыхательных путей. Все вычисленные параметры распечатываются с помощью устройства термопечати.
Устройство прибора
Прибор состоит из двух основных частей — осцилляторного блока с эталонным сопротивлением и электронно-цифрового блока (рис 1.1).
Основным элементом осцилляторного блока является осцилляторньй насос. Используется поршневой насос с кривошипно-шатунным механизмом, связанный с резиновыми мехами (сильфоном). При малых значениях противодавления этот насос генерирует синусоидальный поток. Благодаря небольшой величине эталонного сопротивления противодавление является малым при любой величине измеряемого импеданса. Насос имеет объем около 1 мл. Приводом насоса служит шаговый двигатель (64 шага на оборот при полушаговом управлении). Для подавления шаговой частоты приводной двигатель и кривошипно-шатунный механизм насоса связаны упруго. На кривошипно-шатунном механизме находятся метка, по которой с помощью фотоэлемента регистрируется фаза насоса. Микропроцессорное управление насосом обеспечивает синусоидальный поток с частотами 7, 10, 13,.16, 19 Гц.
Рисунок 1.1 - Общая схема прибора.
Для удобства транспортировки эталонное сопротивление состоит из двух частей суммарной длиной 800 мм и внутренним диаметром 10 мм.
электронно-цифровой блок содержит: 8-разрядную микроЭВМ, управляющую всеми функциями прибора. МикроЭВМ работает с 8-разрядным центральным процессором типа Z 80 с тактовой частотой 2,458 мГц. Имеется постоянная память 16 Кбайт (для программ) и оперативная память 16 Кбайт.
АЦП, выполненный на основе интегральной схемы; работающий с разрешением 10 бит (10 мВ при диапазоне входного напряжения 10 В);
ленточное устройство термопечати (модифицированный вариант устройства TSD 16-2.), печатающее алфавитно-цифровые символы с длиной строки 16 знаков;
дисплей (индикатор на жидких, кристаллах), представляющий алфавитно-цифровые символы с длиной строки до 20 знаков;
плоскую фольговую1 клавиатуру.
Программное обеспечение и обработка сигналов
Математическое обеспечение прибора должно удовлетворять следующим требованиям:
1) значительная часть измерений и вычислений должна идти - в реальном времени;
2) технические средства (память, объем, потребление тока) должны быть минимальны.
Исходя из этого, отказались от использования универсальной операционной системы. На языке Ассемблер для процессора Z 80 разработана программа, обеспечивающая обработку сигналов в реальном времени и вычисления после завершения измерений. Программ обработки прерывания длительностью 2,5 мс обеспечивает регистрацию данных через каждые 10 мс.