RU2625258C2 - Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask - Google Patents
Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask Download PDFInfo
- Publication number
- RU2625258C2 RU2625258C2 RU2015136628A RU2015136628A RU2625258C2 RU 2625258 C2 RU2625258 C2 RU 2625258C2 RU 2015136628 A RU2015136628 A RU 2015136628A RU 2015136628 A RU2015136628 A RU 2015136628A RU 2625258 C2 RU2625258 C2 RU 2625258C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- monochromatic
- state
- receiver
- pairs
- segmented
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
- A61B5/082—Evaluation by breath analysis, e.g. determination of the chemical composition of exhaled breath
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/59—Transmissivity
- G01N21/61—Non-dispersive gas analysers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
Landscapes
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к системам динамического контроля газовых сред и устройствам неинвазивного контроля состояния живого организма (пациента) как при использовании им различных дыхательных смесей, так и без такового, находящегося под воздействием физических, психологических, стрессовых нагрузок, а также различного рода болезненных состояний, по составу выдыхаемого воздуха; оценки функционального состояния биологических систем организма в течение длительного времени под воздействием разнонаправленных перегрузок; диагностики при определении степени тяжести состояния для сортировки пострадавших в результате чрезвычайных ситуаций (ЧС); определения физического состояния организма в процессе тренировок, под воздействием нагрузок различного характера; контроля состояния членов экипажей автономных изолированных систем и пилотируемых аппаратов.The invention relates to systems for dynamic control of gaseous media and devices for non-invasive monitoring of the state of a living organism (patient), both when using various respiratory mixtures and without it, under the influence of physical, psychological, stress loads, as well as various kinds of painful conditions, in composition exhaled air; assessing the functional state of the biological systems of the body for a long time under the influence of multidirectional overloads; diagnostics in determining the severity of the condition for sorting victims as a result of emergency situations; determining the physical state of the body during training, under the influence of loads of a different nature; monitoring the status of crew members of autonomous isolated systems and manned vehicles.
ПРОТОТИПЫ (ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ)PROTOTYPES (BACKGROUND OF THE INVENTION)
Способ динамического газоанализа реализован в патентах SU 1088462 "Аэродинамический газоанализатор" и зависимом от него SU 472287.The dynamic gas analysis method is implemented in the patents SU 1088462 "Aerodynamic gas analyzer" and the dependent SU 472287.
Аэродинамический газоанализатор содержит мост гидравлических сопротивлений, одно из которых выполнено переменным с использованием индикатора перепада давлений. Также применяется мембранный элемент сетчатого типа с диаметром пор, превышающим среднюю длину свободного пробега молекулы анализируемой газовой среды. Таким способом определяется только количественный расход газа, но не процентное содержание отдельных компонентов газовой смеси.The aerodynamic gas analyzer contains a bridge of hydraulic resistances, one of which is made variable using a differential pressure indicator. A mesh-type membrane element with a pore diameter exceeding the mean free path of the molecule of the analyzed gas medium is also used. In this way, only the quantitative gas flow rate is determined, but not the percentage of the individual components of the gas mixture.
Для получения достоверного результата прибор требует выравнивания температуры и давления определяемого газа. Из этого следует, что работа при вязкостном режиме течения с изменяемыми характеристиками газового потока возможна только на отобранных пробах, в которых соблюдены заявленные требования по температуре и давлению газа.To obtain a reliable result, the device requires equalizing the temperature and pressure of the gas being determined. It follows from this that operation under a viscous flow regime with variable characteristics of the gas flow is possible only on selected samples in which the stated requirements for gas temperature and pressure are observed.
Данная схема прибора предназначена для работы с сухим воздухом и без скачков влажности. При этом известно, что дыхательный процесс характеризуется изменением давления в магистрали выдоха в пределах дыхательного цикла и влажность выдыхаемого воздуха близка к 100%.This device circuit is designed to work with dry air and without humidity spikes. It is known that the respiratory process is characterized by a change in pressure in the exhalation line within the respiratory cycle and the humidity of the exhaled air is close to 100%.
При газоанализе дыхательного процесса требование к выравниванию давления в магистрали выдоха невыполнимо и может быть выполнено только при пробоотборе, что было реализовано в бортовых газоанализаторах, поскольку вмешательство в процесс произвольного дыхания может быть опасно для жизни объекта (пациента), однако пробоотбор не реализует принцип динамического газоанализа в полной мере и при долговременном мониторинге с высокой частотой забора проб и большим количеством измерений ведет к накоплению ошибки.In gas analysis of the respiratory process, the requirement to equalize the pressure in the exhalation line is not feasible and can be met only with sampling, which was implemented in airborne gas analyzers, since interference in the process of voluntary breathing can be dangerous for the life of the object (patient), however, sampling does not implement the principle of dynamic gas analysis fully and with long-term monitoring with a high sampling frequency and a large number of measurements leads to the accumulation of errors.
Существует достаточно большое количество газоанализаторов, реализующих различные принципы работы, такие как хемосорбционные, полупроводниковые и фотоионизационные, использующиеся, в том числе, в бортовых системах. Наиболее полно данные принципы были описаны в патенте RU 2502065 "Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации", описывающем электрохимическую и фотоионизационную ячейки с использованием химических фильтров, и в патенте RU 2502066 "Газоизмерительное устройство и способ его работы", в котором описана полупроводниковая схема.There are a fairly large number of gas analyzers that implement various operating principles, such as chemisorption, semiconductor and photoionization, which are also used in on-board systems. These principles were most fully described in patent RU 2502065 "Method for analyzing the composition of gas mixtures and a gas analyzer for its implementation", which describes electrochemical and photoionization cells using chemical filters, and in patent RU 2502066 "Gas measuring device and method of its operation", which describes semiconductor circuit.
В патенте RU 2502065 "Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации" для анализа газовой среды предлагается использовать сенсоры двух типов: электрохимические и фотоионизационные, которые, в силу своих конструктивных особенностей имеют свойство накапливать ошибки при длительном использовании. При этом для получения достоверного результата предлагается проводить измерения двукратно: с использованием на входах сенсоров химических фильтров, отделяющих от газовой смеси, поступающей в каждый сенсор, индивидуальный компонент газовой смеси, определяемой данным сенсором, и без использования фильтра, сравнивая полученные результаты и на основе этого делая выводы о концентрации определяемого компонента в исследуемой смеси. Для этого предлагается использовать приводы и тяги различного типа. Анализ данной конструкции выявил следующие недостатки:In patent RU 2502065 “Method for analyzing the composition of gas mixtures and a gas analyzer for its implementation”, two types of sensors are proposed for analyzing the gas environment: electrochemical and photoionization sensors, which, due to their design features, tend to accumulate errors during prolonged use. At the same time, in order to obtain a reliable result, it is proposed to measure twice: using the chemical filters at the sensor inputs that separate the individual component of the gas mixture determined by this sensor from the gas mixture entering each sensor and without using a filter, comparing the results obtained and based on this making conclusions about the concentration of the determined component in the test mixture. For this, it is proposed to use drives and rods of various types. Analysis of this design revealed the following disadvantages:
1. Необходимость забора проб.1. The need for sampling.
2. Низкая избирательность и длительность установления показаний при измерении малых концентраций.2. Low selectivity and the duration of the testimony when measuring low concentrations.
3. Двукратное измерение состава газовой смеси требует времени и может послужить причиной остаточного эффекта при вторичном замере, что ведет к накоплению ошибки. Данный способ дает относительно низкую частоту снятия показаний, явно недостаточную для динамической оценки состояния пациента, находящегося под воздействием нагрузок различного характера.3. Double measurement of the composition of the gas mixture takes time and can cause a residual effect during secondary measurement, which leads to the accumulation of errors. This method gives a relatively low frequency of taking readings, which is clearly insufficient for a dynamic assessment of the condition of a patient under the influence of loads of a different nature.
4. Сложность системы из-за механизмов перемещения фильтров.4. The complexity of the system due to the mechanisms of movement of the filters.
5. Высокий риск искажения результата в присутствии наведенных электромагнитных полей.5. High risk of distortion of the result in the presence of induced electromagnetic fields.
6. Накопление ошибки при длительном и непрерывном использовании.6. Accumulation of errors during prolonged and continuous use.
В патенте RU 2502066 "Газоизмерительное устройство и способ его работы" (по данной заявке испрошен приоритет предварительной заявки US 60/997084, поданной 1 октября 2007 года.) для измерения присутствия заданного газа в текучей среде предлагается использовать полупроводниковые ячейки с нагревательными элементами для поддержания рабочей температуры. Анализ происходит путем фиксирования изменений хотя бы одного из электрических свойств полупроводника. Также говорится о возможности встраивания и портативности данного устройства. При анализе данного устройства были выделены следующие недостатки:In the patent RU 2502066 "Gas measuring device and method of its operation" (this application claims priority of provisional application US 60/997084, filed October 1, 2007.) to measure the presence of a given gas in a fluid, it is proposed to use semiconductor cells with heating elements to maintain working temperature. The analysis occurs by recording changes in at least one of the electrical properties of the semiconductor. It also talks about the possibility of embedding and portability of this device. When analyzing this device, the following disadvantages were highlighted:
1. Сложность системы. Подогрев и поддержание рабочей температуры чувствительного элемента требует относительно мощных источников питания, что трудно обеспечить при длительном использовании в портативном устройстве.1. The complexity of the system. Heating and maintaining the operating temperature of the sensitive element requires relatively powerful power sources, which is difficult to ensure with prolonged use in a portable device.
2. Основным недостатком полупроводниковых датчиков является быстрый процесс накопления ошибки по сравнению с другими типами сенсоров. Это снижение точности со временем приводит к искажению получаемых результатов и не дает возможности отследить изменение состояния пациента в реальном времени при длительном использовании, так как концентрация элемента в малых дозах может оказаться в пределах ошибки. По этой причине необходима частая поверка и замена датчиков, что не всегда практично и возможно.2. The main disadvantage of semiconductor sensors is the fast process of error accumulation in comparison with other types of sensors. This decrease in accuracy over time leads to a distortion of the results and does not make it possible to track the change in the patient’s condition in real time with prolonged use, since the concentration of the element in small doses can be within the error range. For this reason, frequent calibration and replacement of sensors is necessary, which is not always practical and possible.
Компенсировать большую часть перечисленных недостатков может газоанализатор, реализующий принципы диодно-лазерной спектроскопии. Данный принцип дает следующие преимущества: скорость; точность; практическое отсутствие накопления ошибок с течением времени, свойственного многим типам газоанализаторов, в особенности полупроводниковым; возможность непрерывного снятия характеристик.To compensate for most of these shortcomings can gas analyzer that implements the principles of diode-laser spectroscopy. This principle gives the following advantages: speed; accuracy; the practical absence of error accumulation over time, characteristic of many types of gas analyzers, especially semiconductor ones; the possibility of continuous characterization.
Наиболее близкими по прототипу являются следующие газоанализаторы, реализующие принципы лазерной спектроскопии, однако обладающие, по сравнению с предлагаемым устройством, рядом недостатков:The closest to the prototype are the following gas analyzers that implement the principles of laser spectroscopy, but having, in comparison with the proposed device, a number of disadvantages:
I) RU 2468343 «Газоанализатор на основе микроспектрометра» (данная заявка притязает на приоритет согласно 35 U.S.C. § 120 в качестве частичного продолжения (CIP) патентной заявки США №11/648,851, поданной 29 декабря 2006 г. и оформленной патентом US 7605370 "Microspectrometer gas analyzer").I) RU 2468343 “Gas analyzer based on a microspectrometer” (this application claims priority according to 35 USC § 120 as a partial continuation (CIP) of US patent application No. 11 / 648,851, filed December 29, 2006 and filed patent US 7605370 "Microspectrometer gas analyzer ").
Недостатком данного газоанализатора является использование сложных зеркальных динамических систем, не предназначенных для работы в условиях разнонаправленных механических перегрузок и вибрации. Кроме того, при минимизации размеров системы, переводящей ее в область MEMS технологий, имеется определенная сложность при монтаже элементов системы, ведущая к ее удорожанию.The disadvantage of this gas analyzer is the use of complex mirror dynamic systems that are not designed to work in the conditions of multidirectional mechanical overloads and vibration. In addition, while minimizing the size of the system, which transfers it to the field of MEMS technologies, there is a certain difficulty in installing elements of the system, leading to its cost increase.
II) RU 2384836 С1 «Способ одновременного определения концентрации молекул СО и CO2 в газообразной среде и устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и CO2 в газообразной среде».II) RU 2384836 C1 "A method for simultaneously determining the concentration of CO and CO2 molecules in a gaseous medium and a device for simultaneously determining the concentration of CO and CO2 molecules in a gaseous medium."
Недостатками данного газоанализатора являются использование многоходовой кюветы с оптическими линзами, не предназначенными для работы в условиях разнонаправленных механических перегрузок и вибрации, а также работа с пробами газов или выдыхаемого воздуха. Это обуславливает размеры изделия существенно большие, нежели предлагаемая разработка, и достаточно сложную схему за счет использования оптических компонентов.The disadvantages of this gas analyzer are the use of a multi-way cuvette with optical lenses that are not designed to work in conditions of multidirectional mechanical overloads and vibrations, as well as working with gas samples or expired air. This determines the size of the product is significantly larger than the proposed development, and a fairly complex scheme through the use of optical components.
III) RU 2313078 «Способ обнаружения газов с использованием спектрометра на основе полупроводникового диодного лазера и спектрометр для его осуществления».III) RU 2313078 "Method for the detection of gases using a spectrometer based on a semiconductor diode laser and a spectrometer for its implementation."
Разработчики данного патента ссылаются на различные действующие модели квантово-каскадных лазеров без указания размеров оптической ячейки, но на предлагаемых промышленностью моделях длина ячейки достаточно велика, и в ряде случаев снабжена дополнительной оптической системой, что, по сравнению с предлагаемым устройством, является недостатком.The developers of this patent refer to various existing models of quantum cascade lasers without indicating the size of the optical cell, but on the models proposed by the industry, the cell length is quite large, and in some cases is equipped with an additional optical system, which, compared with the proposed device, is a drawback.
Основным недостатком является необходимость охлаждения и термостабилизации квантово-каскадных лазеров, в них осложнена работа при высоких температурах и локальном перегреве.The main disadvantage is the need for cooling and thermal stabilization of quantum cascade lasers, which make it difficult to work at high temperatures and local overheating.
Целью предлагаемого изобретения является определение и интерпретация изменения состава дыхательной смеси при выдохе в реальном времени в течение дыхательного цикла, то есть реализация принципа динамического газоанализа при определении количественного и качественного состава выдыхаемого пациентом воздуха путем непрерывного анализа спектров поглощения определяемых газов с помощью сегментированных элементов на основе подобранных монохроматических пар на протяжении всего времени использования дыхательной маски, в том числе длительном, более 2 часов, и, таким образом, постоянного контроля и, при необходимости, коррекции состояния объекта (пациента) путем реализации обратной связи, осуществляемой с использованием алгоритмов управления подачей компонентов дыхательной смеси и, за счет этого, изменения ее химического состава.The aim of the invention is the determination and interpretation of changes in the composition of the respiratory mixture during expiration in real time during the respiratory cycle, that is, the implementation of the principle of dynamic gas analysis in determining the quantitative and qualitative composition of the air exhaled by the patient by continuously analyzing the absorption spectra of the detected gases using segmented elements based on selected monochromatic pairs throughout the entire use of the respiratory mask, including prefecture, more 2 hours and, thus, continuous monitoring and, if necessary, correction of the object status (patient) by implementing a feedback control performed using algorithms supply breathing gas components and, due to this, a change in its chemical composition.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.SUMMARY OF THE INVENTION
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ динамического газоанализа реализуется за счет непрерывного анализа проходящего потока выдыхаемого воздуха либо дыхательной смеси по всей площади поперечного сечения воздушной магистрали без пробоотбора, позволяющий, за счет использования метода диодно-лазерной спектроскопии и комплекта датчиков давления и влажности, работать с газовыми смесями произвольных влажности и характера течения, а также различного происхождения и состава, а устройство динамического газоанализа создается на основе подобранных монохроматических пар. Монохроматическая пара представляет собой твердотельный монохроматический излучатель на базе диодного лазера и твердотельный монохроматический приемник, возможно снабженный дополнительным монохроматическим фильтром, смонтированные в сегментированном профилированном жестком кольце (Фиг. 1а) или линейном устройстве с противолежащими светопоглощающими и светоотражающими сторонами (Фиг. 1б) или тонкостенной жесткой n-гранной призме (Фиг. 1в), встраиваемые в магистраль выдоха дыхательной маски за клапаном выдоха, причем подбор монохроматических пар делается в зависимости от списка определяемых газов, выбранных в соответствии с поставленной для каждого конкретного случая задачей, и может быть реализован как единичной монохроматической парой, так и параллельно либо последовательно установленными монохроматическими парами. Профиль кольца, призмы или линейного устройства, а также взаимного расположения излучателя и приемника, рассчитывается для каждого из определяемых газов таким образом, чтобы обеспечить длину пробега луча, достаточную для получения достоверного результата определения концентрации определяемого компонента на основании закона Бугера - Ламберта - Бера.The claimed technical result is achieved by the fact that the method of dynamic gas analysis is implemented through continuous analysis of the passing stream of exhaled air or breathing mixture over the entire cross-sectional area of the air line without sampling, which allows, due to the use of diode laser spectroscopy and a set of pressure and humidity sensors, to work with gas mixtures of arbitrary humidity and nature of the flow, as well as of various origin and composition, and a device for dynamic gas analysis The created on the basis of selected monochromatic pairs. A monochromatic couple is a solid-state monochromatic emitter based on a diode laser and a solid-state monochromatic receiver, possibly equipped with an additional monochromatic filter, mounted in a segmented profiled rigid ring (Fig. 1a) or a linear device with opposite light-absorbing and light-reflecting sides (Fig. 1b) or n-facet prism (Fig. 1c), built into the exhalation line of the respiratory mask behind the exhalation valve, and the selection of monochrom ble pairs done depending on the defined list of gases selected in accordance with the set for each specific case task, and may be implemented as a single pair of monochromatic and parallel or sequentially installed monochromatic pairs. The profile of the ring, prism or linear device, as well as the relative position of the emitter and the receiver, is calculated for each of the gases to be determined in such a way as to ensure a beam path sufficient to obtain a reliable result of determining the concentration of the component to be determined on the basis of the Bouger-Lambert-Behr law.
Измерения концентраций различных компонентов газовой смеси проводятся в заранее просчитанных неперекрывающихся спектральных диапазонах для различных монохроматических пар. Сегментированные элементы с парами излучатель-приемник устанавливаются в магистрали выдоха в специальное устройство кассетного типа и могут быть при необходимости заменены. При этом юстировка излучателя и приемника предустановлена, то есть производится на сменных блоках в процессе их изготовления. Сегментированные элементы делятся по следующим типам.The concentration measurements of various components of the gas mixture are carried out in previously calculated non-overlapping spectral ranges for various monochromatic pairs. Segmented elements with pairs of emitter-receiver are installed in the exhalation line into a special cassette-type device and can be replaced if necessary. In this case, the alignment of the emitter and receiver is pre-installed, that is, it is made on removable blocks in the process of their manufacture. Segmented elements are divided into the following types.
Тип 1. Кольцо со светоотражающей рабочей поверхностью диаметра, приближенного к диаметру магистрали выдоха дыхательной маски, в образующую поверхность которого встроена пара излучатель-приемник под строго определенным, рассчитанным для каждого определяемого компонента углом по отношению друг к другу и высотой, определяемой размерами и взаимным расположением встраиваемых компонентов излучателя и приемника. (Фиг. 1а)
Тип 2. Линейное устройство, представляющее собой прямоугольник с обусловленным соотношением сторон и высотой, определяемой размерами встраиваемых компонентов излучателя и приемника, причем две противолежащие стороны являются светоотражающими, а две другие - светопоглощающими, при этом площади перекрытия поперечного сечения магистрали выдоха и линейного устройства обеспечивают максимально эффективное соотношение их площадей и минимальную турбулизацию протекающего потока, а взаимное расположение элементов монохроматической пары обеспечивает необходимую длину пробега луча для определения концентрации исследуемого компонента газовой смеси. (Фиг. 1б)
Тип 3. Тонкостенная жесткая n-гранная призма с высотой, определяемой размерами и взаимным расположением встраиваемых компонентов излучателя и приемника, вписанная в окружность диаметра, приближенного к диаметру магистрали выдоха дыхательной маски и количеством граней, зависящим от длины волны определяемого элемента, где все грани имеют светоотражающие поверхности, причем площади поперечного сечения магистрали выдоха и устройства в виде n-гранной призмы обеспечивают максимальное взаимное перекрытие, длину пробега луча, необходимую для получения достоверного результата определения концентрации определяемого компонента и минимальную турбулизацию протекающего потока. (Фиг. 1в)
Прибор состоит из сегментированных элементов, встраиваемых в магистраль выдоха дыхательной маски, которые посредством экранированной пары, либо оптоволоконного кабеля, представляющие из себя информационную магистраль, либо каналом беспроводной связи соединяются с управляющим блоком, включающим в себя модулятор сигнала, через преобразователь сигнала. Управляющий блок использует каналы прямой и обратной связи и соединен с вычислительной системой (Фиг. 2). Показания, снимаемые с приемника излучения, зависят от концентраций исследуемых веществ в газовой среде и сравниваются со значениями аналогичных показателей, принятых в качестве физиологической нормы для соответствующих условий. В случае отклонения от нормы сигнал подается как объекту, так и на органы внешнего контроля и управления.The device consists of segmented elements that are built into the exhalation line of the breathing mask, which are connected via a signal converter via a signal converter via a shielded pair, either an optical fiber cable, which is an information highway, or via a wireless communication channel. The control unit uses direct and feedback channels and is connected to a computer system (Fig. 2). The readings taken from the radiation receiver depend on the concentrations of the test substances in the gas medium and are compared with the values of similar indicators accepted as a physiological norm for the respective conditions. In the event of a deviation from the norm, the signal is supplied both to the object and to the external control and management bodies.
Для реализации способа динамического газоанализа устройство укомплектовано комплексом датчиков давления и влажности, а для повышения точности измерения и предотвращения загрязнения сегментированных элементов дополнительным сменным мембранным фильтром, устанавливаемым перед первым сегментированным элементом.To implement the dynamic gas analysis method, the device is equipped with a set of pressure and humidity sensors, and to increase the measurement accuracy and prevent contamination of the segmented elements with an additional replaceable membrane filter installed in front of the first segmented element.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ динамического газоанализа, реализующийся за счет непрерывного анализа проходящего потока выдыхаемого воздуха либо дыхательной смеси по всей площади поперечного сечения воздушной магистрали без пробоотбора, позволяет, за счет использования метода диодно-лазерной спектроскопии и комплекта датчиков давления и влажности, работать с газовыми смесями произвольных влажности и характера течения, а также различного происхождения и состава.The claimed technical result is achieved by the fact that the method of dynamic gas analysis, which is implemented by continuously analyzing the passing stream of exhaled air or breathing mixture over the entire cross-sectional area of the air line without sampling, allows, through the use of diode-laser spectroscopy and a set of pressure and humidity sensors, work with gas mixtures of arbitrary humidity and nature of the flow, as well as of various origin and composition.
Проведенный патентный поиск в области динамических портативных встраиваемых газоанализаторов, реализующих метод диодно-лазерной спектроскопии и работающих на монохроматических парах, аналогичных разработок как в России, так и за рубежом не выявил.A patent search in the field of dynamic portable built-in gas analyzers that implement the method of diode-laser spectroscopy and operating on monochromatic pairs has not revealed similar developments both in Russia and abroad.
От прототипов предлагаемые способ и устройство отличаются по следующим пунктам:The proposed method and device differ from prototypes in the following points:
1) Измерение и обработка полученной информации происходят в режиме реального времени на протяжении всего времени использования газоанализатора с учетом перепадов давления и влажности в потоке выдыхаемого воздуха.1) Measurement and processing of the received information takes place in real time during the entire time the gas analyzer is used, taking into account pressure and humidity drops in the exhaled air stream.
2) Использование для способа динамического газоанализа метода диодно-лазерной спектроскопии, основанного на непрерывном анализе проходящего потока газа с помощью набора монохроматических пар излучатель-приемник и датчиков давления для получения соотношения между общим объемом выдыхаемого воздуха и количеством исследуемого компонента в газовой смеси, позволяет получать информацию как о количественном расходе газовой смеси, так и о концентрации определяемых компонентов в реальном времени при вязкостном режиме течения с изменяемыми характеристиками газового потока.2) The use of a diode laser spectroscopy method for a dynamic gas analysis method based on a continuous analysis of a passing gas stream using a set of monochromatic emitter-receiver pairs and pressure sensors to obtain a relationship between the total volume of expired air and the amount of the analyzed component in the gas mixture, allows to obtain information both the quantitative consumption of the gas mixture and the concentration of the determined components in real time under the viscous flow regime with variable Characteristics of the gas stream.
3) Устройство работает с проходящим потоком выдыхаемого воздуха, а не с газовыми пробами, то есть установлено в магистрали выдоха дыхательной маски и не использует кювету для отбора проб.3) The device works with a passing stream of exhaled air, and not with gas samples, that is, it is installed in the exhalation line of the breathing mask and does not use a cuvette for sampling.
4) Используются специально подобранные пары излучатель-приемник, за счет чего снижается погрешность при определении концентрации определяемого вещества, причем спектральные диапазоны для определения концентраций веществ подбираются с учетом недопущения их взаимного перекрытия, рассчитываемые для задаваемого сочетания определяемых компонентов.4) Specially selected emitter-receiver pairs are used, due to which the error in determining the concentration of the analyte is reduced, and the spectral ranges for determining the concentration of substances are selected taking into account the prevention of their mutual overlap, calculated for a given combination of the determined components.
5) Отсутствие отдельно устанавливаемых фокусирующих элементов исключает влияния расфокусировки в результате вибрации, боковых ускорений и прочих факторов механического воздействия.5) The absence of separately installed focusing elements eliminates the effects of defocusing due to vibration, lateral accelerations and other factors of mechanical stress.
6) Минимизированы массогабаритные характеристики: система на основе монохроматических пар является встраиваемой в магистраль выдоха дыхательной маски.6) Weight and size characteristics are minimized: a system based on monochromatic pairs is built into the exhalation line of a breathing mask.
7) Используемые при реализации метода диодно-лазерной спектроскопии элементы для монохроматических пар не требуют криогенного охлаждения для поддержания особых рабочих условий.7) The elements used for the implementation of the diode-laser spectroscopy method for monochromatic pairs do not require cryogenic cooling to maintain special operating conditions.
8) Применение метода диодно-лазерной спектрометрии в предлагаемом газоанализаторе, в отличие от фотоионизационных и полупроводниковых датчиков, позволяет избежать накопления погрешности измерений с течением времени. Сенсоры такого типа не подвержены влиянию внешних воздействий и не имеют инерции, то есть могут снимать показания в течение дыхательного цикла многократно и в продолжении длительного времени.8) The use of the diode-laser spectrometry method in the proposed gas analyzer, in contrast to photoionization and semiconductor sensors, avoids the accumulation of measurement errors over time. Sensors of this type are not affected by external influences and have no inertia, that is, they can take readings during the respiratory cycle repeatedly and for a long time.
ИЗОБРЕТЕНИЕ ПОЯСНЯЕТСЯ СХЕМАМИ:The invention is explained in the diagrams:
Фиг. 1. Типы сегментированных элементов.FIG. 1. Types of segmented elements.
1а - кольцо с отражающей рабочей поверхностью; 1б - линейное устройство; 1в - призма n-гранная (1 - излучатель, 2 - приемник, 3 - светоотражающая поверхность, 4 - примерный ход луча, 5 - светопоглощающая поверхность).1a - a ring with a reflective working surface; 1b is a linear device; 1c - n-facet prism (1 - emitter, 2 - receiver, 3 - reflective surface, 4 - approximate beam path, 5 - light-absorbing surface).
Фиг. 2. Принципиальная схема работы сегментированного элемента.FIG. 2. Schematic diagram of the operation of a segmented element.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И ПРИМЕНИМОСТЬ.DESCRIPTION OF WORK AND APPLICABILITY.
Газоанализатор работает следующим образом. Выдыхаемый пациентом воздух поступает в магистраль выдоха дыхательной маски. Далее, при прохождении воздуха по магистрали выдоха через встроенные сегментированные элементы, производится снятие и расшифровка характеристик химического состава выдыхаемого воздуха путем передачи сигнала с излучателя на приемник монохроматической пары и далее по информационной магистрали либо по каналу беспроводной связи на управляющий блок с элементами прямой и обратной связи и соединенный с блоком обработки информации, где происходит расшифровка и интерпретация полученного сигнала, после чего по линиям обратной связи отсылается сигнал, как пациенту, так и на органы внешнего контроля и управления, в том числе на управляющий блок и блок управления подачей компонентов дыхательной смеси.The gas analyzer operates as follows. The air exhaled by the patient enters the exhalation line of the breathing mask. Further, when air passes through the expiratory line through built-in segmented elements, the chemical composition of the exhaled air is removed and decoded by transmitting a signal from the emitter to the receiver of a monochromatic pair and then through the information line or wireless channel to the control unit with direct and feedback elements and connected to the information processing unit, where the decryption and interpretation of the received signal takes place, after which you send Xia signal, both the patient and the external organs monitoring and control, including the control unit and the control unit Plural Component breathing mixture.
Для предотвращения загрязнения отражающей поверхности сегментированных элементов продуктами жизнедеятельности в начале магистрали выдоха перед сегментированными элементами может быть установлен сменный мембранный фильтр.To prevent contamination of the reflective surface of the segmented elements with waste products, a replaceable membrane filter can be installed in front of the segmented elements at the beginning of the expiration line.
Для того чтобы оценить объем выдыхаемого воздуха, в системе установлены не менее двух датчиков давления: один в системе подачи дыхательной смеси, а другой/другие - на магистрали выдоха за фильтром и перед/между сегментированными элементами, что позволяет получать информацию об объемах поступающего в маску и выдыхаемого воздуха, а также о концентрации определяемых компонентов в реальном времени вне зависимости от перепадов давлений в магистрали. Также устанавливается датчик влажности выдыхаемого воздуха.In order to estimate the volume of exhaled air, at least two pressure sensors are installed in the system: one in the breathing mixture supply system, and the other / others on the exhalation line behind the filter and in front of / between the segmented elements, which allows receiving information about the volumes entering the mask and exhaled air, as well as the concentration of the detected components in real time, regardless of the pressure drops in the line. An expiratory humidity sensor is also installed.
Данное устройство может быть использовано как самостоятельно, так и совместно с системой контроля состояния и экстренной помощи длительного ношения.This device can be used both independently and in conjunction with a system for monitoring the state and emergency assistance of long-term wear.
В случае использования данного газоанализатора в медицинских учреждениях, а также при использовании в системах подготовки специалистов, работающих в условиях различных видов перегрузки, в том числе при подготовке альпинистов, аквалангистов, сотрудников МЧС, летного состава, обратная связь может быть представлена только в виде системы оповещения обслуживающего персонала. Решение об изменении состава дыхательной смеси либо дополнительного введения иных препаратов в таких случаях принимает обслуживающий персонал.In the case of using this gas analyzer in medical institutions, as well as when using specialists in training systems working under conditions of various types of overload, including the preparation of climbers, scuba divers, emergency workers, flight personnel, feedback can only be presented as a warning system attendants. The decision to change the composition of the respiratory mixture or the additional introduction of other drugs in such cases is taken by the maintenance staff.
Изобретение может быть использовано в авиации, в том числе встроено в дыхательную маску летчика; медицине в качестве диагностического оборудования и медицине катастроф (в том числе в реанимационном оборудовании, установленном на транспортных средствах); в защитном оборудовании и экипировке сотрудников МЧС при ликвидации пожаров высокой степени опасности (когда есть опасность выброса вредных веществ) и техногенных катастроф; в экипировке аквалангистов и водолазов при проведении подводных работ с высокой физической нагрузкой и погружениях на большую глубину; в составе альпинистского кислородного оборудования.The invention can be used in aviation, including being integrated into the respiratory mask of a pilot; medicine as diagnostic equipment and disaster medicine (including in resuscitation equipment installed on vehicles); in the protective equipment and equipment of the Ministry of Emergencies during the elimination of high-risk fires (when there is a danger of the release of harmful substances) and technological disasters; in the equipment of scuba divers and divers when conducting underwater operations with high physical activity and diving to great depths; as part of climbing oxygen equipment.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015136628A RU2625258C2 (en) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015136628A RU2625258C2 (en) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015136628A RU2015136628A (en) | 2017-03-06 |
RU2625258C2 true RU2625258C2 (en) | 2017-07-12 |
Family
ID=58454068
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015136628A RU2625258C2 (en) | 2015-08-28 | 2015-08-28 | Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2625258C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2688724C1 (en) * | 2018-12-05 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова" Министерства обороны Российской Федерации (ВМедА) | System for measuring body energy expenditure in extreme conditions |
RU192522U1 (en) * | 2019-06-20 | 2019-09-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Device for measuring the chlorine content in a gas mixture |
RU2773603C1 (en) * | 2021-06-11 | 2022-06-06 | Сергей Андреевич Давыдов | Method for reducing turbulence and subsequent analysis of dynamic gas media, as well as a device for its implementation, embedded in a breathing mask |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080127977A1 (en) * | 2006-12-04 | 2008-06-05 | Orr Joseph A | Compensation of Volumetric Errors in a Gas Monitoring System |
WO2015010709A1 (en) * | 2013-07-22 | 2015-01-29 | Sentec Ag | Sensor for detection of gas and method for detection of gas |
-
2015
- 2015-08-28 RU RU2015136628A patent/RU2625258C2/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080127977A1 (en) * | 2006-12-04 | 2008-06-05 | Orr Joseph A | Compensation of Volumetric Errors in a Gas Monitoring System |
WO2015010709A1 (en) * | 2013-07-22 | 2015-01-29 | Sentec Ag | Sensor for detection of gas and method for detection of gas |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ахметова Е.Р., Боженов А.В., Давыдов С.А. "Основы конструкции портативного динамического газоанализатора для авиации и медицины", МАТЕРИАЛЫ XIX МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА "ДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ КОНСТРУКЦИЙ И СПЛОШНЫХ СРЕД" имени А.Г. Горшкова, 2013 г. том.1, стр.20-21. Ахметова Е.Р., Калиманов П.А., Балаклеец А.А. "Динамический газоанализ и перспективные схемы бортового газоанализатора", ТРУДЫ 52-Й НАУЧНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ МФТИ ", СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ НАУК", часть III, том 2, Москва-Долгопрудный, 2009 г., стр.184-186. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2688724C1 (en) * | 2018-12-05 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова" Министерства обороны Российской Федерации (ВМедА) | System for measuring body energy expenditure in extreme conditions |
RU192522U1 (en) * | 2019-06-20 | 2019-09-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Device for measuring the chlorine content in a gas mixture |
RU2773603C1 (en) * | 2021-06-11 | 2022-06-06 | Сергей Андреевич Давыдов | Method for reducing turbulence and subsequent analysis of dynamic gas media, as well as a device for its implementation, embedded in a breathing mask |
RU219911U1 (en) * | 2022-12-27 | 2023-08-11 | Акционерное общество "Лазерные системы" | Analytical module for ethanol vapor analyzer in exhaled air |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015136628A (en) | 2017-03-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2395915B1 (en) | Breath analysis | |
US20160067531A1 (en) | System and method for respirators with particle counter detector unit | |
CA2887841A1 (en) | Cannabis drug detection device | |
US20180271406A1 (en) | Combined Sensor Apparatus for Breath Gas Analysis | |
FR2404440A1 (en) | OXYGEN CONTENT MONITORING AND WARNING DEVICE FOR RESPIRATORY SYSTEM | |
EP3314213B1 (en) | Improvements in or relating to gas flow measurement | |
CN104995511A (en) | Portable breath volatile organic compounds analyzer and corresponding unit | |
JP2013515950A5 (en) | ||
ES2530636T3 (en) | Method of measurement and analysis of exhaled gas and apparatus for it | |
GB1576141A (en) | Method and apparatus for pulmonary function analysis | |
RU2625258C2 (en) | Method and device for dynamic gas analysis built into expiration main of breather mask | |
US20220287588A1 (en) | Universal portable breath content alayzer | |
US20150346174A1 (en) | Exposure monitoring | |
WO2013006528A1 (en) | Stable isotopic biomarker measurement for the detection of cancer and the determination of efficacy of treatment in diagnosed cancer patients | |
Pleil et al. | Rationale for developing tunable laser spectroscopy (TLS) technology for high resolution real-time carbon dioxide monitoring (capnography) in human breath | |
Petrov et al. | Possibilities of measuring the exhaled air composition using Raman spectroscopy | |
Hu et al. | Improvable method for Halon 1301 concentration measurement based on infrared absorption | |
CN105496412B (en) | A kind of expiration inflammation monitoring method and device | |
JP4158314B2 (en) | Isotope gas measuring device | |
EP1420842B1 (en) | Device for quantitative analysis of respiratory gases | |
US20190381263A1 (en) | Inhalation Sensor Block, Exhalation Sensor Block and System | |
US11484222B2 (en) | Single infrared sensor capnography | |
CN102784427B (en) | Airway adapter and gas analyzer for measuring oxygen concentration in breathing gas | |
Sesé et al. | Low-cost air quality portable sensors and their potential use in respiratory health | |
CN113588585A (en) | Rapid detection method for composite gas components |