Лекция 6.
Методы исследования механики дыхания.
Легочные объемы, измеряемые методами флоуметрии.
Флоуметрия на основе трубок Флейша и Лилли, другие
методы измерения дыхательного потока.
Исследование вентиляторной функции легких,
форсированный выдох, ограничение потока.
Метод плетизмографии всего тела, его применение для
измерения ФОЕ.
Измерение сопротивления дыхательных путей методами
вынужденных колебаний и прерывания потока.
Колебательные процессы в системе дыхания.
Механический импеданс дыхательного тракта.
Метод импульсной осциллометрии.
1
Легочные объемы, измеряемые методами флоуметрии.
Флоуметрия на основе трубок Флейша и Лилли, другие
методы измерения дыхательного потока.
2
Метод плетизмографии всего тела, его применение для
измерения ФОЕ.
3
• Метод
плетизмографии
всего тела, его
применение для
измерения R
4
• Измерение
объема легких с
помощью
индикаторного
газа
5
• Измерение
сопротивления
дыхательных
путей методами
вынужденных
колебаний и
прерывания
потока.
6
Импульсная осциллометрия:
физические принципы метода
7
1. Физические принципы метода Осцилляторная механика дыхания
• Импульсная осциллометрия – это один из методов осцилляторной
механики дыхания.
• Осцилляторной механикой дыхания называют область механики
дыхания, посвященную исследованию колебательных процессов в
дыхательном тракте на частотах от долей Гц до десятков кГц.
• Исследование биомеханики колебательных процессов в системе
дыхания началось в середине 20-го века, с работ A. Dubois и
соавторов, предложивших метод вынужденных колебаний
[Dubois et al., 1956]. Они же разработали первые математические
модели дыхательного тракта, описывающие колебательные
процессы.
• За прошедшие полвека развития осцилляторной механики
дыхания в этой области опубликованы тысячи работ.
8
Механический импеданс
P(t ) P exp i (t p )
• Если колебания давления P и
• потока V
V (t ) V exp i (t V )
представлять в комплексном виде,
P
• то импеданс равен отношению
Z rs
V
комплексных величин давления и потока
• Импеданс является комплексным числом
Z rs Z rs exp i rs
(здесь i - мнимая единица).
• Модуль импеданса равен отношению
P
амплитуд колебаний давления и потока ,
Z rs
V
• фаза импеданса равна фазовому сдвигу
между давлением и потоком
Θrs =Θp-Θv
• действительная часть импеданса и
Re Z rs Z rs cos rs
• мнимая часть импеданса (реактанс) .
Im Z rs Z rs sin 9 rs
Методы вынужденных колебаний и
импульсной осциллометрии
В диапазоне низких частот широко
распространен метод вынужденных
колебаний (МВК) или метод
форсированных осцилляций в англоязычной
терминологии (forced oscillation technique).
В этом методе в системе дыхания с
помощью динамика или насоса создают
колебания потока газа и давления с
частотами в диапазоне примерно от 5 до 64
Гц. Колебания давления регистрируют
манометром, а потока – пневмотахометром.
Далее вычисляют величины действительной
и мнимой частей механического импеданса,
характеризующие соотношение между
колебаниями давления и потока. Наиболее
активно используют диапазон частот от
единиц Гц до 20-45 Гц. В методе
импульсной осциллометрии (один из
вариантов метода вынужденных колебаний)
в дыхательный тракт подаются импульсы
давления,потока.
25
Давление, поток
•
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
0
2000
4000
6000
8000
Время, мс
10000
12000
14000
Flow, l/s16000
Pressure, mm water
10
Схема установки для измерения механического импеданса
дыхательного тракта методом вынужденных колебаний.
•
Представлена установка, предназначенная для измерения импеданса в диапазоне частот от 5 до
64 Гц. С помощью ЭВМ создается сигнал, содержащий колебания с заданным спектром.
Осциллятор (громкоговоритель) создает колебания давления и потока в диапазоне частот 5-64
Гц, которые поступают в пневматический тракт установки. Частично этот осцилляторный
поток уходит в атмосферу (на схеме – левая ветвь пневматического тракта установки), а
частично – в дыхательную трубку, мундштук и далее в дыхательные пути исследуемого
человека (на схеме – правая ветвь пневматического тракта). Колебания давления и потока в
дыхательной трубке измеряются датчиком давления М и датчиком потока ДП соответственно.
11
Схема прибора для измерения механического импеданса
дыхательного тракта
12
Пример зависимости импеданса от частоты
2
0,4
0,35
0,3
R
X
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
-0,05 0
-0,1
R, IOS
X, IOS
Pred R, IOS
Pred X, IOS
R, IOS,2002
10
20
30
40
X, IOS,2002
13
Модели, применяемые в осцилляторной механике
дыхания
•
•
Соотношение между размерами легких L и характерной длиной волны l
рассматриваемого процесса в легких. На рис Б, В схематично представлены
профили давления в легких для быстрого процесса (Б) и медленного процесса (В).
Если l >> L, то можно применять модели с сосредоточенными параметрами (1В), в
противном случае надо учитывать распространение механической волны по легким
и применять модели с распределенными параметрами (Б).
А
Б
В
14
Электромеханические аналогии в системе дыхания.
•
•
•
•
•
Электромеханические
аналогии в системе
дыхания.
А - "механическая"
модель системы
дыхания;
Б - схема
шестиэлементной
модели механики
дыхания;
В - схема
трехэлементной модели
механики дыхания.
1 - вход в дыхательные
пути, 2 - поверхность
грудной клетки.
15
Имерение импеданса дыхательного тракта
Электромеханические
аналогии: А- модель
прибора, Pˆ , Vˆпеременные давление
и поток;
Zm – измеряемый
импеданс,
Irs, Rrs, Crs,
Ic, Rc, Cc;
Iuaw, Ruaw, Cuaw
– инерционность I,
сопротивление R,
растяжимость C
дыхательного тракта
без коррекции и с
коррекцией; верхних
дыхательных путей.
6
5
Re лежа
Re Zc и Im Zc (гПа /лl /с)
4
Re сидя
3
2
1
0
Im сидя
Im лежа
-1
-2
7
10
13
Частота, Гц
16
19
Скорректированный
импеданс дыхательного
тракта человека в
положениях тела16сидя и
лежа
Модель Mead
• Модель
Mead
применяется
в приборе
MS IOS E.
Jaeger.
• Модель
включает 7
элементов.
17
Модель с распределенными параметрами (дерево
дыхательных путей)
•
•
•
•
n - номер поколения ветвления дыхательных путей
М - масса на единицу длины дыхательных путей, г/см;
L - вязкость на единицу длины, г(см с);
К - упругость на единицу длины дыхательных путей, г/(см с 2)
18
Теоретический анализ влияния объема легких
человека на дыхательный импеданс
Re Z, гПа/л/с
3
7
2,5
10
Частота, Гц
2
13
1,5
16
1
19
0,5
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
Отношение объема легких к функциональной
остаточной емкости
19
Варианты метода и приборов
1.
(Nicon Cohden). 2. “Siregnost FD 5” (Siemens). 3. “Custo vit R” (Customed, Bultic Amadeus).
4. “Astograph TCK-6000CV” (Chest). 5. Pulmosfor (SEFAM). 6. Пневмотест-М (ИМБП, TFG,DDR)
6. MS IOS (E. Jaeger).
7. Прибор «Спиро» (НИИИТ)
4. “Astograph TCK-6000CV” (Chest).
5. Pulmosfor (SEFAM).
20
Новый прибор
•
•
•
•
•
•
•
•
проект МНТЦ №0702 :«Прибор для
ранней диагностики легочной
функции методом вынужденных
колебаний».
Прибор реализует метод
импульсной осциллометрии в
диапазоне частот от 2,5 до 150 Гц.
Характеристики нового прибора:
а) определение общего
дыхательного сопротивления
методом вынужденных колебаний,
б) спирометрия,
в) методика «петля-обьем»,
г) методика максимальной
вентиляции легких,
д) тест на бронхоспазм;
21
