RO126829B1 - Spirometru electronic cu metodă dublă de măsurare a parametrilor respiratori - Google Patents

Description

Invenția se referă la un spirometru electronic, cu metodă dublă de măsurare a parametrilor respiratori, folosit pentru diagnosticul și monitorizarea bolilor plămânului, cum ar fi astmul, bronșita cronică, emfizemul, fibroza pulmonară, cât și pentru aprecierea precisă a funcției pulmonare. De asemenea, spirometrul este utilizat pentru a vedea cât de bine acționează medicamentele administrate pentru probleme respiratorii.

Dispozitivele folosite, în prezent, ca spirometre, folosesc o multitudine de principii: măsurarea unei căderi de presiune, contorizarea unei turbine, deplasarea unui piston, răcirea unui fir încins de către fluxul de aer, și enumerarea ar putea continua. Indiferent de metoda folosită, fiecare, în parte, prezintă anumite erori intrinseci principiului folosit.

Se cunoaște, din stadiul tehnicii, documentul US 7172557 B1, publicat la data de 16.02.2007, care se referă la un spirometru cu o carcasă și un tub de aer expirat, care, pentru măsurarea debitului de aer, folosește, ca principiu, măsurarea unor căderi de presiune. Tubul de aer expirat include trei secțiuni. Prima secțiune are un canal de convergență, în care viteza aerului expirat se mărește, reducând astfel presiunea statică. A doua secțiune are un debit de aer de presiune laminar. Un traductor de presiune este conectat pentru a măsura căderea de presiune de-a lungul primei și a celei de-a doua secțiuni și oferă o indicație a valorilor de presiune pe cele două secțiuni. A treia secțiune a tubului de aer expirat are un diametru de debit care crește treptat, pentru a acționa ca un difuzor de recuperare de presiune. O caracteristică a soluției cunoscute este că tubul de aer are un element adaptor de cuplare, pentru cuplarea cu ușurință a spirometrului la un resuscitator manual. Tensiunea de ieșire a traductorului de presiune este aplicată instrumentelor de afișare debit expirator, volum expirator și frecvență de expirare.

Dezavantajul acestei soluții constă în faptul că nu prezintă caracteristici tehnice care să analizeze și să prelucreze datele măsurate de traductori, ci doar le afișează.

De asemenea, se mai cunoaște și soluția tehnică din cererea de brevet americană US 2009/027887 A1/10.09.2009, care se referă un sistem complet, ușor de purtat, de mică putere, cu procesoare bazate pe furnizarea de date exacte de la un traductor de analiză metabolică. Aceste date includ, dar nu se limitează la consumul de oxigen (VO2), producția de dioxid de carbon(VCO2), ritmul cardiac, consumul caloric etc. Datele sunt generate pe o bază în timp real și pot fi încărcate și prelucrate, prin intermediul unui site web interactiv sau expuse la nivel local, prin intermediul unui PDA (personal digital assistant) sau a unui dispozitiv similar.

Dezavantajul acestei soluții constă în faptul că nu permite măsurarea cu precizie ridicată a datelor referitoare la consumul de oxigen, producția de dioxid de carbon(VCO2), ritmul cardiac, consumul caloric etc.

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția, constă în diminuarea erorilor de măsurare a volumului și a debitului aerului inspirat și expirat de către o persoană.

Spirometrul electronic, cu metodă dublă de măsurare a parametrilor respiratori, ce folosește, pentru determinarea debitului atât contorizarea unei turbine, cât și măsurarea unei diferențe de presiune, și obține rezultatele finale prin compararea și corelarea datelor de către un microcontroler cu putere mare de calcul, conform invenției, este constituit dintr-o turbină cu inerție scăzută, prevăzută, pe palete, cu niște magneți, a cărei rotație este monitorizată de un senzorul Hali, și dintr-un corp cu tuburi hexagonale, care are rolul de a crea o cădere liniară de presiune în raport cu debitul aerului, diferența de presiune fiind măsurată de un senzor diferențial de presiune, datele culese de la senzori fiind prelucrate de un microcontroler, reprezentate pe un afișaj, respectiv, trimise la calculator, printr-o interfața USB, prin care se realizează și alimentarea dispozitivului.

RO 126829 Β1

Avantajele invenției sunt: 1

- precizie ridicată de măsurare și prelucrare;

- simplitate constructivă;3

- diminuarea erorilor de măsurare.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...6, care 5 reprezintă:

- fig. 1, schema părții mecanice a dispozitivului conform invenției;7

- fig. 2, reprezentarea tridimensională a dispozitivului conform invenției;

- fig. 3, schema electronică cu microcontroler a dispozitivului, conform invenției;9

- fig. 4, schema electronică, detaliată, cu microcontroler și periferice, a dispozitivului conform invenției;11

- fig. 5, vedere a interfeței USB a dispozitivului conform invenției;

- fig. 6, schema de alimentare a dispozitivului conform invenției.13

Dispozitivul are în alcătuirea sa o parte electronică, ce îi permite prelucrarea numerică a mărimilor culese de la senzori, afișarea locală pe un afișaj LCD, precum și 15 trimiterea la un calculator, pentru stocare într-o bază de date și pentru prelucrare ulterioară. Măsurarea prin două metode a debitului și a volumului de aer recomandă dispozitivul pentru 17 construcția unor spirometre cu exigențe ridicate sau de laborator.

Prezentul dispozitiv își propune diminuarea erorilor de măsurare prin compararea și 19 corelarea datelor culese de la o turbină cu datele culese de la un senzor de presiune diferențial. Specificul dispozitivului constă în amplasarea în cascadă a unei turbine și a unei 21 rezistențe hidraulice cu cădere liniară de presiune, raportată la debit. Performanța dispozitivului este gândită a fi obținută prin îmbinarea acestei structuri mecanice cu un 23 controler pe 32 de biți, cu putere mare de calcul, ce urmează a prelucra datele de la un traductor Hali și de la senzorul diferențial de presiune. Astfel că, pe baza valorilor măsurate, 25 se calculează parametrii respiratori (capacitatea vitală, volumul expirat maxim pe secundă, indicele de permeabilitate bronșică etc.). 27

Partea mecanică și amplasarea senzorilor pot fi văzute în fig. 1. Curgerea aerului inspirat și expirat antrenează turbina 1. Aceasta este simetrică, pentru a avea același 29 comportament atât la expirație, cât și la inspirație. Turbina 1 este așezată între două lagăre cu rulmenți, pentru a diminua frecările. Pentru confecționarea turbinei, se vor avea în vedere 31 materiale cu densitate mică, ce vor conferi acesteia o masă mică și, ca atare, o inerție redusă. Inerția redusă va face posibilă o cât mai mică alterare a datelor. Pe fiecare paletă 33 a turbinei, sunt amplasați mici magneți permanenți 2. Câmpul magnetic al acestora interacționează cu senzorul Hali 3, la trecerea paletelor prin dreptul senzorului. Senzorul Hali 35 3 va genera impulsuri cărora li se măsoară durata. Aerul va trece, de asemenea, printr-un corp cu tuburi hexagonale 4, care are rolul de a crea o cădere liniară de presiune în raport 37 cu debitul aerului. Căderea de presiune produsă de elementul 4 este cuantificată de senzorul diferențial de presiune 5. Reprezentarea tridimensională se poate vedea în fig. 2. 39 în fig. 3 este prezentat microcontrolerul 6, în jurul căruia este construită schema electronică. Pentru a putea face față prelucrării datelor, se folosește un controler de 32 de 41 biți, cu 2 niveluri de magistrale informaționale, care să permită executarea rapidă de instrucțiuni, cu cicluri de ceas mai puține și minimizarea consumului de energie (de exemplu, 43 controler cu nucleu Cortex M-3), acesta diminunându-se prin facilitatea de a efectua înmulțiri și împărțiri pe 32 de biți, pe cale hardware. Această facilitate îl recomandă pentru prelucrări 45 intensive de date în timp real. Pentru afișarea grafică și numerică a datelor, ce caracterizează parametrii respiratori, a fost ales un afișaj pe bază de OLED-uri 7, acesta 47

RO 126829 Β1 având o rezoluție ridicată de 128x96 de pixeli și un contrast foarte ridicat, de exemplu, OLED-RIT-128X96. Controlerul dispune, de asemenea, de o interfață SPI, prin intermediul căreia, comunică cu afișajul 7. Monitorizarea turbinei 1 se realizează prin intermediul senzorului Hali 3. MicrocontroIerul este dotat, de asemenea, cu o interfață 12C, care îi permite comunicarea cu senzorul de presiune 5.

Utilizatorul, în vederea folosirii dispozitivului, dispune de o tastatură 11 și, pentru o mai simplă utilizare, are la îndemână un codificator 8, cu ajutorul căruia poate introduce date, respectiv, alege opțiuni din meniuri. Semnalizarea diverselor evenimente se realizează pe cale sonoră, cu ajutorul amplificatorului 10, ce furnizează semnal difuzorului 9. Energia necesară este livrată prin intermediul interfeței USB 13, a calculatorului gazdă. Interfața USB livrează 5 V, iar cu ajutorul stabilizatorului 14, se obțin 3,3 V, necesari microcontrolerului. Conversia de la USB la serial este realizată cu interfața 12. Prin intermediul acestei interfețe, dispozitivul poate comunica cu calculatorul gazdă, de regulă, un PC. Programarea controlerului, cât și actualizarea softului, se realizează prin interfața 15, de tip JTAG.

în fig. 4 este prezentată schema electronică, detaliată, a microcontrolerului și a perifericelor acestuia. Acesta este un microcontroler pe 32 de biți, cu 2 niveluri de magistrale informaționale, care să permită executarea rapidă de instrucțiuni cu cicluri de ceas mai puține și minimizarea consumului de energie (de exemplu, LM3S811 de la Luminary, cu nucleu ARM de tip Cortex-M3). A fost preferat acest tip de controler, atât pentru puterea mare de calcul, cât și pentru perifericele potrivite pentru al interfața cu celelalte componente electronice ce alcătuiesc dispozitivul. Comunicarea cu senzorul diferențial de presiune 5 se realizează prin intermediul portului 12C al microcontrolerului. Senzorul diferențial de presiune 5 acoperă un domeniu de presiuni ±500 Pa (±2 inch H 20±5 mbari) și dispune de o acuratețe deosebită. Senzorul 5 lucrează la o tensiune de alimentare de 3,3 V, iar comunicarea valorilor măsurate o realizează prin intermediul interfeței de tip 12C. Datele măsurate sunt pe 12 biți. Gazul pentru care este calibrat este aerul atmosferic. Principalul domeniu de aplicabilitate este măsurarea parametrilor respiratori. Pentru monitorizarea turbinei 1, se folosește un senzor Hali 3 digital, care prezintă o stabilitate mare a pragurilor de comutare și poate fi alimentat de la 3,3 V. Etajul de ieșire este de tipul tranzistor cu colectorul în vânt și poate comuta curenți de până la 20 mA. Un câmp magnetic, cu intensitatea de minimum -14 mT, saturează tranzistorul din etajul de ieșire, respectiv, un câmp cu intensitate de minimum -14 mT îl blochează. Din punct de vedere practic, magneții 2 trebuie așezați, pe paletele turbinei 1, în mod alternant, cu polul N, respectiv, S, către senzorul 3. Pentru afișarea datelor, s-a ales un afișaj grafic cu OLED-uri de ultimă generație. Afișajul are o diagonală de 1,28 și o rezoluție de 128 x 96 pixeli. Pentru transmiterea datelor dintre microcontroler și afișajul 7, se folosește o magistrală serială de tip SPI. Codificatorul digital generează 15 impulsuri la o rotație. Ceasul controlerului se obține cu ajutorul unui cuarț de 8 MHz.

Interfața USB a dispozitivului este reprezentată în fig. 5. Interfața este realizată în jurul unui cip pentru interfața USB. Acesta realizează conversia de la USB la serial asincron, întregul protocol USB este tratat de acest cip. Viteza de transfer asigurată poate fi de până la 3 Mbaud. Cip-ul este compatibil cu norma USB 2.0. Calculatorul va vedea dispozitivul drept un port serial virtual.

în fig. 6 este reprezentată alimentarea dispozitivului. Tensiunea de 5 V este furnizată de către interfața USB a calculatorului gazdă. Tensiunea de 3,3 V, necesară microcontrolerului, se obține cu un circuit integrat (LM3940-3.3). Afișajul cu OLED-uri are nevoie de o tensiune de polarizare de 15 V. Aceasta este obținută cu ajutorul cip-ului (FAN5331), care are funcție de convertor CC-CC.

Claims (1)

1. Revendicare 1

   Spirometru electronic, cu metodă dublă de măsurare a parametrilor respiratori, ce 3 folosește pentru determinarea debitului atât contorizarea unei turbine, cât și măsurarea unei diferențe de presiune, și obține rezultatele finale prin compararea și corelarea datelor de 5 către un microcontroler cu putere mare de calcul, caracterizat prin aceea că este constituit dintr-o turbină cu inerție scăzută (1), prevăzută, pe palete, cu niște magneți (2), a cărei 7 rotație este monitorizată de un senzor Hali (3), și dintr-un corp cu tuburi hexagonale (4), care are rolul de a crea o cădere liniară de presiune în raport cu debitul aerului, diferența de 9 presiune fiind măsurată de un senzor diferențial de presiune (5), datele culese de la senzori fiind prelucrate de microcontrolerul (6), reprezentate pe afișajul (7), respectiv, trimise la 11 calculator, printr-o interfața USB (12), prin care se realizează și alimentarea dispozitivului.