Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Спирометрия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматизации технологических процессов

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Измерительные преобразователи»

ТЕМА: «Спирометрия»

Выполнили: Глухих Д.О.

Ребрун И.А.

Группа: БТиМАС-0511

Проверил: Сульман М.Г. .

Тверь 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….... ..3

1 ОСНОВЫ СПИРОМЕТРИИ………………………………………………........5

1.1 Элементы физиологии дыхания ……………………………………..….....5

1.2 Легочные объемы и емкости …………………………………………….....6

1.3 Пробы с форсированным дыханием…………………………………...…...8

1.4 Основы анализа спирограмм………………………………………………10

2 СПИРОМЕТРЫ………………………………………………………………...18

2.1 Волюмоспирометры………………………………………........................ 18

2.2 Флоуспирометры…………………………........……………………….....23

2.3 Датчик для измерения временных параметров внешнего дыхания......25

3 СПИРОГРАФЫ……………………………………………………………......27

3.1 Спирограф СГ-1М…………………………………………………………27

3.2 Спирограф СПИРО 2 – 25………………………………………………..35

3.3 Спирограф МЕТАТЕСТ – 1………………………………………………41

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….45

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………..........…..….47

ВВЕДЕНИЕ

Дыхание является одной из важнейших физиологических функций. Это — газообмен между внешней средой и организмом, при котором потребляется кислород, выделяется углекислый газ и образуется необходимая энергия. Оно включает внешнее (легочное) дыхание, транспорт газов кровью и газообмен в тканях (тканевое, или внутреннее, дыхание) Внешнее дыхание, в свою очередь, состоит из 3-х стадий: вентиляции — обмена воздуха между окружающей средой и альвеолами, диффузии газов через альвеолярно-капиллярную мембрану и перфузии крови в легочных капиллярах.

Большая распространенность бронхолегочных заболеваний (международная классификация насчитывает более 400 различных бронхореспираторных заболеваний), их рост в последние десятилетия делают необходимым более широкое внедрение методов исследования дыхательной системы. Раннее выявление нарушений биомеханики дыхания, динамическое наблюдение за больными, выбор средств лечения, наиболее соответствующих установленным нарушениям, позволяют обеспечить современную эффективную терапию.

Из-за сложности соответствующей аппаратуры диффузионная способность легких и особенности гемодинамики определяются редко и в самых крупных специализированных клиниках, тогда как вентиляционная функция легких легко доступна для исследования широко распространенными приборами и методами. Ее в первую очередь характеризуют статические, динамические и производные легочные объемы и скоростные показатели дыхания.

Спирометрия, спирография и пневмотахометрия — наиболее часто применяемые методы исследования вентиляционной функции легких. Они неинвазивны, дешевы, требуют относительно небольших затрат времени и с удовлетворительной точностью позволяют установить наличие, характер и выраженность вентиляционных нарушений.

Целью данной работы является рассмотрение различных конструкций приборов для измерения параметров внешнего дыхания (спирометров, спирографов), а так же их принципов действия.

Для этого были поставлены следующие задачи:

Ознакомиться с понятием «спирометрия»;
Рассмотреть методику анализа спирограмм;
Рассмотреть отдельные элементы спирометров;
Изучить различные схемы спирометров и спирографов.

1 ОСНОВЫ СПИРОМЕТРИИ

1.1 Элементы физиологии дыхания

Дыхание является одной из важнейших физиологических функций. Это — газообмен между внешней средой и организмом, при котором потребляется кислород, выделяется углекислый газ и образуется необходимая энергия. Оно включает внешнее (легочное) дыхание, транспорт газов кровью и газообмен в тканях (тканевое, или внутреннее, дыхание). Внешнее дыхание, в свою очередь, состоит из 3-х этапов: вентиляции — обмена воздуха между окружающей средой и альвеолами, диффузии газов через альвеолярно-капиллярную мембрану и перфузии крови в легочных капиллярах.

Для исследования тканевого дыхания применяются биохимические методы, например определение лактата в венозной крови, электрохимические анализаторы, газов крови и метод полярографии.

Транспорт газов кровью можно оценить с помощью оксигемометров (пульс-оксиметров). В норме гемоглобин насыщен кислородом на 96—98 %. Для оценки перфузии легких используют изотопные методы (введение в вену альбумина, помеченного гамма-излучающим изотопом) и рентгеноконтрастные методики. Диффузионную способность определяют при вдыхании небольшой концентрации угарного газа по скорости его попадания в кровь.

1.2 Легочные объемы и емкости

Под легочными объемами понимают количество воздуха, содержащееся в легких в различные фазы дыхания. Выделяют и легочные емкости — сумму нескольких объемов. Статические объемы определяют при спокойном дыхании, а динамические - при форсированном. Производные объемы обычно вычисляются по формулам.

Различают следующие статические объемы и емкости:

ОЕЛ (TLC) — общая емкость легких — весь воздух, находящийся в легких на высоте максимального вдоха;

ЖЕЛ (VC) — жизненная емкость легких — наибольшее количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха. ЖЕЛ, полученная при вдохе после полного выдоха, несколько больше, так как не происходит блокирования воздуха в мельчайших бронхах (феномен «воздушной ловушки»);

ООЛ (RV) — остаточный объем легких — воздух, остающийся в легких после максимального выдоха;

ДО (VT) — дыхательный объем — воздух, который проходит через легкие при спокойном вдохе и выдохе, в среднем — около 500 мл;

РО_вд(выд) (IRV, ERV) — резервные объемы вдоха и выдоха — это воздух, который можно дополнительно вдохнуть или выдохнуть после спокойного вдоха или выдоха;

Е_вд (IС) — емкость вдоха — сумма ДО и РО_вд;

ФОЕ (FRC) — функциональная остаточная емкость — воздух, остающийся в легких после спокойного выдоха, сумма ООЛ и РО_выд.

На рис. 1.1 показана типичная спирограмма. На этом же рисунке для наглядности обозначены все легочные объемы и емкости.

Рис. 1.1. Спирограмма

Часть воздуха, находящегося в дыхательных путях и альвеолах, не участвующая в газообмене, называется мертвым пространством. Анатомическое мертвое пространство — часть воздуха, на вдохе не достигающая альвеол, а на выдохе не выходящая в атмосферу, функциональное мертвое пространство — воздух неперфузируемых альвеол. Воздух мертвого пространства и остаточного объема участвует в согревании и увлажнении поступающего при вдохе газа для обеспечения необходимых условий для жизнедеятельности альвеол.

Определяется величина мертвого пространства (DS) теми же способами, что и остаточные объемы. В норме МП составляет 140 мл у женщин и 150 мл у мужчин, главным образом, за счет анатомического мертвого пространства. Под минутным объемом дыхания понимают количество воздуха, проходящего через легкие за минуту, его определяют по формуле:

МОД = ЧД*ДО (1.2.1)

где ЧД — частота дыхания, в норме 12-20, в среднем 16 в минуту. Приняв ДО за 500 мл, получаем средний МОД — 8 л.

Если учитывать наличие МП, то в газообмене участвует лишь часть этого воздуха, которая называется альвеолярной вентиляцией и составляет:

АВ = (ДО — МП) * ЧД (1.2.2)

около 70 % МОД. При углубленном дыхании соотношение АВ/МОД увеличивается, при поверхностном — уменьшается.

Количество потребляемого за 1 минуту кислорода (МПО₂) легко определяется спирографически. На его основе можно определить величину основного обмена (ОО), зная энергетическую ценность кислорода с учетом дыхательного коэффициента. Для этого МПК умножают на 7,07 (число минут в сутках * средний калорический эквивалент кислорода):

ОО = МПК * 7,07 (ккал/сут) (1.2.3).

1.3 Пробы с форсированным дыханием

Помимо статических объемов, большое клиническое значение имеют динамические объемы, определяемые при форсированном (наиболее быстром и полном) дыхании, особенно при выдохе, т. к. вдох является более произвольным актом, и поэтому менее постоянен. Их использование в клинической практике способствует уточнению уровня бронхиальной обструкции и диагностике ранних проявлений бронхолегочных изменений в виде нарушений проходимости мелких бронхов.

Проводят пробу быстрого и полного выдоха из положения максимального вдоха, т. е. ФЖЕЛ (FVC) — экспираторную форсированную жизненную емкость. ФЖЕЛ меньше ЖЕЛ на 200-400 мл за счет спада в конце ускоренного выдоха части мелких бронхиол (экспираторный коллапс). Если имеется их патология, наблюдается феномен «захвата воздуха», когда ФЖЕЛ меньше ЖЕЛ на 1 л и более. При этом скорость форсированного вдоха (проба инспираторной ФЖЕЛ) будет больше, чем выдоха.

Случаи, когда ФЖЕЛ больше или равна ЖЕЛ, следует рассматривать как неправильно выполненную пробу. Все показатели нужно определять не менее 3 раз и брать наибольшее значение каждого. Кроме того, определяют объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ₁ = FEV₁₀), который сравнивают либо с должной величиной, либо с ЖЕЛ или ФЖЕЛ.

Индекс Тиффно:

ОФВ₁ / ЖЕЛ * 100 % (1.3.1)

в норме 70-80 %.

Он снижается при обструктивных процессах и может повышаться при «чистой» рестрикции, когда ЖЕЛ снижена, а скорость выдоха не уменьшилась. Однако поражение только мелких бронхов часто не приводит к изменению ОФВ₁ поэтому проба Тиффно не может служить ранним признаком обструкции. При уменьшении ЖЕЛ и сохраненной бронхиальной проходимости этот показатель может несколько увеличиться, а при смешанных обструктивно-рестриктивных процессах его величина теряет свое диагностическое значение. Тогда вычисляют отношение ОФВ₁ не к фактической, а к должной ЖЕЛ.

При определении индекса Тиффно требуется провести два раздельных исследования — при спокойном дыхании (ЖЕЛ) и при форсированном выдохе, что снижает точность результата. Более достоверным можно считать индекс Генслера, выполняемый за один прием:

ОФВ₁/ ФЖЕЛ * 100 % (1.3.2)

в норме 85—90 %.

Для более тонкой и точной характеристики нарушений аппарата дыхания определяют скорость выдоха в различные его моменты, а также пиковую объемную скорость выдоха (ПОС_выд), или наибольшую скорость за все время выдоха.

За рубежом часто определяют также объемы форсированного выдоха за 0,5, 2 и 3 с, время достижения наибольшей скорости выдоха, время выдоха половины ЖЕЛ и т. п. По сравнению с пробами Тиффно и Генслера более информативны мгновенные объемные скорости выдоха (МОС = FEV в системе, принятой в США), измеренные в точках выдоха 25, 50, 75 и 85 % ЖЕЛ (МОС₂₅, МОС₅₀ и т. д.), характеризующие состояние крупных, средних и мелких бронхов соответственно, и средние объемные скорости на участках выдоха 25-50, 50-75, 75-80 % ЖЕЛ (СОС_25-50 и т. д.).

В другой, европейской, системе обозначений отсчет ведется по доле ЖЕЛ, оставшейся в легких, тогда эти мгновенные скорости выдоха (MEF) обозначаются, соответственно, МСВ₇₅, МСВ₅₀, МСВ₂₅, МСВ_25-75 и ПСВ (пиковая скорость выдоха).

Важные сведения о функциональных резервах аппарата внешнего дыхания дает тест максимальной вентиляции легких (МВЛ). Под максимальной вентиляцией легких (MW) понимают объем воздуха, проходящий через легкие за минуту наиболее частого и глубокого дыхания.

Обычно пробу проводят в течение 10—15 с, а результат приводят к 1 мин. В норме МВЛ в 8-20 раз больше МОД и достигает 150—180 л. Установлена тесная корреляция изменений МВЛ и ОФВ₁, поэтому некоторые авторы ограничиваются определением только ОФВ₁.

Дополнительную информацию может дать форма кривой максимальной вентиляции легких, которая смещается вверх при обструкции за счет захвата воздуха (увеличение ФОЕ и уменьшение РО_вд).

1.4 Основы анализа спирограмм

Главными переменными, использующимися для отображения наблюдаемых показателей внешнего дыхания и для построения показателей - конструктов являются: объём потока V дыхательных газов, и время t. Отношения между этими переменными могут быть представлены в виде графиков или диаграмм. Все они по существу являются спирограммами. График зависимости объёма потока смеси дыхательных газов от времени называют спирограмма: объём потока - время. Она была представлена на рис. 1.1.
График зависимости объёмной скорости потока смеси дыхательных газов и объема потока называют спирограмма: объёмная скорость потока - объём потока (поток - объем).

Важно обращать внимание на форму кривой "поток-объем", т.к. она отражает особенности нарушения бронхиальной проходимости (рис. 2 - 4).

Рис. 1.2. Нормальная кривая.

Кривая вдоха симметрична и имеет выпуклую форму. Кривая выдоха имеет линейный участок. MIF 50% > MEF 50% вследствие динамической компрессии дыхательных путей (рис. 1.2).

Рис. 1.3. Рестриктивное заболевание (например, саркоидоз, кифосколиоз).

Кривая имеет более узкую форму вследствие уменьшения легочных объемов, но ее форма в основном соответствует нормальной кривой, как на рис. 1.3. Потоковые параметры нормальные (на самом деле они даже выше нормальных для соответствующих легочных объемов, что объясняется возрастанием эластической тяги легких и/или тем, что грудная стенка способствует сохранению открытыми дыхательных путей.

Рис. 1.4. ХОБЛ, астма.

Хотя все потоковые параметры снижены, преобладает удлинение выдоха и MEF < MIF.

Так, выраженная вогнутость к оси объёма после достижения пиковой скорости потока выдыхаемого воздуха говорит о более периферической локализации нарушений бронхиальной проводимости. Уменьшение или отсутствие пика скорости экспираторного потока свидетельствует о сужении преимущественно центральных дыхательных путей. Если при этом дистальные отделы не вовлечены в патологический процесс, то угол наклона кривой к оси объёма остаётся неизменным, и кривая имеет менее вогнутую форму. Выраженные генерализованные нарушения бронхиальной проходимости проявляются снижением всех скоростей потока. При формулировке заключения по кривой "поток-объём" целесообразно указывать состояние бронхиальной проходимости с преимущественным уровнем поражения, степень выраженности патологических изменений и характеризовать лёгочные объёмы. Оценка показателей проводится по их отклонению от должных величин.

При обструктивных нарушениях происходит уменьшение просвета бронхов и возрастание сопротивления потоку воздуха, которое преодолевает дыхательная мускулатура. Кривая "поток-объём" определяется взаимоотношением механических свойств тех участков дыхательной системы, которые последовательно включаются в процесс опорожнения лёгких, поэтому определение уровня преимущественного поражения дыхательных путей проводится путем сопоставления показателей, рассчитываемых в различных фазах и точках форсированного выдоха.

Начальная часть флоуметрической кривой характеризует проходимость центральных дыхательных путей, и снижение ОФВ1, ПСВ и МОС25 говорит о сужении просвета крупных бронхов или сужении внелёгочных дыхательных путей - гортани, трахеи. При изолированном снижении этих показателей необходимо исключить неправильное выполнение теста, связанное с недостаточным усилием. Уменьшение максимальных объёмных скоростей потока при 50% и 75% выдохнутого лёгочного объёма, а также средних максимальных скоростей потока в интервалах 25-75% и 75-85% ФЖЕЛ говорит о более периферической локализации нарушений бронхиальной проходимости. Обструкция мелких и средних бронхов проявляется снижением этих показателей при нормальных значениях ОФВ1, ПСВ и МОС25. Снижение только МОС75 и МОС75-85 указывает на изменения в мелких бронхах. Оценка обструктивных нарушений на различных уровнях воздухоносных путей является условной, т.к. величина МОС50 и МОС75 отражает не только состояние дыхательных путей на этом уровне воздухонаполненности лёгких, но и податливость крупных дыхательных путей. Высокочувствительными для обнаружения начальных нарушений бронхиальной проходимости являются временные показатели (Твыд, СТВ). Генерализованная обструкция сопровождается нарушением бронхиальной проходимости как в крупных, так и в средних и мелких бронхах, а во время форсированного выдоха проявляется снижением скоростей экспираторного потока во всех точках кривой. Независимо от особенностей бронхиальной обструкции площадь Авыд уменьшается пропорционально выраженности обструкции.

Различают три функциональных типа обструкции верхних ДП:

постоянная обструкция
переменная внутригрудная обструкция
переменная внегрудная обструкция

Рис. 1.5. Постоянная обструкция верхних дыхательных путей (например, стеноз трахеи вследствие трахеостомии, двусторонний паралич голосовых связок, зоб).

При "постоянной обструкции" (т.е. обструкции, геометрия которой остается постоянной в обеих фазах дыхания) рис. 1.5, происходит ограничение воздушного потока как на вдохе, так и на выдохе. Если постоянная обструкция находится в центральных дыхательных путях, то при анализе петли "поток-объем" обнаруживается снижение объемной скорости потока как на вдохе, так и на выдохе.

Рис. 1.6. Переменная внегрудная обструкция (например, паралич или опухоль голосовой связки).

Такой вид обструкции приводит к избирательному ограничению объемной скорости потока воздуха во время вдоха.

Когда парализована одна голосовая связка, она пассивно перемещается в соответствии с градиентом давления вдоль надгортанника. Во время форсированного вдоха она смещается внутрь, что приводит к снижению инспираторного потока и появлению плато. Во время форсированного выдоха парализованная голосовая связка смещается в сторону, поэтому экспираторная кривая не изменена (рис. 1.6).

Наличие такой обструкции можно легко предположить, когда меняются отношения между объемными скоростями середины потока: скорость вдоха заметно снижается по сравнению со скоростью выдоха (MIF 50%< MEF 50%).

Рис. 1.7. Переменная внутригрудная обструкция (например, трахеомаляция).

Компрессия ДП избирательно увеличивается во время выдоха. Во время форсированного вдоха отрицательное плевральное давление поддерживает трахею в открытом состоянии, поэтому объемная скорость потока и форма петли не изменяются по сравнению с нормой. Во время форсированного выдоха вследствие потери структурной прочности происходит сужение трахеи, что выражается в появлении плато и уменьшении потока. Кривая свидетельствует о том, что в начале выдоха поток относительно сохранен. Это наблюдается до того, как происходит компрессия просвета дыхательных путей.

2 СПИРОМЕТРЫ

Спирометры (лат.spirare - дышать, выдыхать + гр. metreo - мерю) приборы для исследования внешнего (легочного) дыхания (легочной

вентиляции) путем измерений легочных объемов. Циркуляция воздуха из атмосферы в легкие (вдох) и обратно (выдох) происходит за счет деятельности мышц грудной клетки.

В зависимости от измеряемой величины различают волюмоспирометры (фр. volume - объем), служащие для измерения объема газа, и флоуспирометры (лат. fluor - течение) - потоковые спирометры, служащие для измерения объёмного расхода (объемной скорости) газа, по которому путем интегрирования может быть определен объем газа.

2.1 Волюмоспирометры

Рис. 2.1. Схема водяного колокольного волюмоспирометра:

1 — 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

На рис. 2.1, показана схема водяного колокольного волюмоспирометра. Основным элементом спирометра является легкий металлический колокол, имеющий форму цилиндра и помещенный в узкое пространство между двумя цилиндрами (двойная стенка емкости). Вода, заполняющая это пространство, создает гидравлический затвор, который обеспечивает герметичность измерительного объема V 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. 2.1, показана схема подключения, при которой входные и выходные газовые линии спирометра подключаются через узел клапанов. При этом на выходной линии установлен фильтр, который служит для очистки выдыхаемого газа от двуокиси углерода. Фильтр обычно заполняется натронной известью, которая по мере использования приобретает розовый цвет. Наличие узла клапанов обеспечивает переключение потоков при вдохе и выдохе в соответствующие линии. Так, при вдохе под действием разности давлений закрывается клапан на выходной линии и открывается клапан на входной, а при выдохе, напротив, закрывается клапан на входной линии и открывается на выходной.

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. 2.1, большим 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. 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) %.

Кроме спирометра, схема которого показана на рис. 2.1, используют волюмоспирометры других конструкций. Все они являются достаточно сложными механическими устройствами. Для пояснения принципов функционирования на рис. 2.2 приведены упрощенные схемы некоторых волюмоспирометров.