RU2817491C1 - Акустический метод определения минутного объема дыхания водолаза под водой - Google Patents
Акустический метод определения минутного объема дыхания водолаза под водой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817491C1 RU2817491C1 RU2023129699A RU2023129699A RU2817491C1 RU 2817491 C1 RU2817491 C1 RU 2817491C1 RU 2023129699 A RU2023129699 A RU 2023129699A RU 2023129699 A RU2023129699 A RU 2023129699A RU 2817491 C1 RU2817491 C1 RU 2817491C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- respiratory
- diver
- breathing
- under water
- minute
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 title claims abstract description 21
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 16
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 claims abstract description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000003434 inspiratory effect Effects 0.000 claims abstract 4
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 abstract description 19
- 230000002685 pulmonary effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 abstract description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract 1
- 230000004962 physiological condition Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000009189 diving Effects 0.000 description 18
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 7
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 4
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 3
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 3
- 230000006837 decompression Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 3
- 230000037081 physical activity Effects 0.000 description 3
- 210000002345 respiratory system Anatomy 0.000 description 3
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 description 2
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 2
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000036642 wellbeing Effects 0.000 description 2
- 208000019901 Anxiety disease Diseases 0.000 description 1
- 206010006322 Breath holding Diseases 0.000 description 1
- 208000000059 Dyspnea Diseases 0.000 description 1
- 206010013975 Dyspnoeas Diseases 0.000 description 1
- 206010020591 Hypercapnia Diseases 0.000 description 1
- 208000003443 Unconsciousness Diseases 0.000 description 1
- 230000003444 anaesthetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000036506 anxiety Effects 0.000 description 1
- 230000035565 breathing frequency Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000037323 metabolic rate Effects 0.000 description 1
- 230000008557 oxygen metabolism Effects 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000036387 respiratory rate Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 description 1
- 208000013220 shortness of breath Diseases 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 210000003437 trachea Anatomy 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к медицине, а именно к оценке состояния органов дыхания, и может быть использовано для контроля за физиологическим состоянием водолазов с подводным дыхательным снаряжением открытого цикла. Заявлен акустический метод, который предоставляет возможность вести контроль за состоянием водолаза под водой на основе одного из основных физиологических параметров дыхания при погружении под воду - минутного объема дыхания (МОД), при этом без вмешательства в конструкцию трактов дыхательной арматуры аппарата. Метод включает предварительное определение величины непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси используемого дыхательного аппарата, регистрацию шумов дыхания водолаза, выделение шумов вдоха и определение продолжительности шумов вдоха за одну минуту. Вычисление минутного объема дыхания водолаза под водой осуществляют как результат суммарной продолжительности шумов вдоха за одну минуту, умноженной на значение скорости непрерывной принудительной подачи дыхательной смеси. Изобретение обеспечивает повышение оперативности способа определения легочной вентиляции водолаза по МОД без вмешательства в конструкцию дыхательного аппарата. 2 ил.
Description
Изобретение относится к медицине, а именно, к оценке состояния органов дыхания, и может быть использовано для контроля за физиологическим состоянием водолазов с подводным дыхательным снаряжением открытого цикла.
В условиях атмосферы дыхание, как известно, осуществляется рефлекторно (6-8 л/мин в покое), обеспечивая необходимое содержание кислорода и двуокиси углерода (CO2) в организме человека. Двуокись углерода является побочным продуктом метаболизма кислорода в клетках организма. CO2 диффундирует из тканей в венозную кровь и переносится в легкие, где проникает из крови в альвеолы и выдыхается. Управление этим процессом, полностью зависит от вентиляции легких. Усиленная вентиляция удалит больше CO2 из альвеол и наоборот, низкая вентиляция ведет к уменьшению удаления CO2 из альвеол и из крови. Количество CO2, выводимого из организма, прямо пропорционально вентиляции. При водолазном погружении парциальное давление двуокиси углерода часто становится выше нормы (гиперкапния) даже при соблюдении правил погружения и исправном оборудовании. Повышенное парциальное давление двуокиси углерода может усилить действие инертного газа как наркоза, усилить риск кислородного отравления и вызвать неприятные симптомы, такие как одышка, спутанность сознания, чувство тревоги, что в конечном итоге может приводить к потере сознания под водой [Doolette DJ, Mitchell SJ. Hyperbaric conditions. Comprehensive Physiol. 2011; 1: 163-201].
Одним из основных количественных параметров при исследовании легочной вентиляции дыхательной системы является минутный объем дыхания (МОД), оцениваемый как количество литров дыхательной смеси, прошедших через легкие за одну минуту (л/мин). Определено, что при погружении легочная вентиляция водолаза, характеризуемая как МОД, находится в диапазоне от 7,5 л/мин (при отдыхе) до 60 л/мин (при нагрузке (перемещение со скоростью 1,2 узла) с учетом BTPS коррекции (коррекция с учетом внешнего давления, температуры и влажности дыхательной смеси). Значение ниже этого диапазона показывает, что дыхание водолаза затруднено, превышение диапазона будет индикатором утечки дыхательной смеси (ГОСТ Р 52639-2006).
Традиционно водолазом, даже в рекреационном(любительском) погружении ведется журнал самоконтроля (Diving LogBook) куда заносится профиль погружения, температура воды, состав дыхательной смеси, особенности погружения, сведения о самочувствии. Самоконтроль МОД, осуществляемый водолазом при погружении, позволяет учитывать изменения потребления дыхательной смеси при различных условиях погружения, индивидуальных реакциях на физическую нагрузку, наличие стресса во время погружений, воздействия внешней среды (температура, течения) и самому не допускать опасных состояний в самочувствии.
Известен способ оценки состояния вентиляционной функции легких человека, прошедшее после неблагоприятных воздействий путем сравнения продолжительности шумов форсированного выхода, зарегистрированных на трахее в полосе частот 200-2000 Гц до и после воздействия, и при превышении полученной величиной порогового значения фиксируют наличие негативных изменений в вентиляционной функции легких в ответ на неблагоприятное воздействие (п. РФ №2405429С1). Однако, способ оценивает вентиляционную функцию легких человека не в процессе погружения, а только после подъема водолаза и не может оценить МОД.
Известна автоматическая система с алгоритмом, который определяет частоту дыхания водолаза, используя сигнал датчиков давления с редуктора дыхательного аппарата. Система подает с помощью зуммера сигналы тревоги сопровождающим погружение при отсутствии дыхания, при слишком высокой частоте дыхания и неправильного ритма дыхания. Система также регистрирует отклонение давления редуктора от нормы перед погружением и сигнализирует миганием светодиодов и звуком, но не позволяет определять значения МОД и требует вмешательства в конструкцию дыхательной арматуры дыхательного аппарата для установки датчика давления (Altepe C. et al. Design and validation of a breathing detection system for scuba divers // Sensors. - 2017. - Т. 17. - №. 6. - С. 1349).
Известны способы определения легочной вентиляции человека путем определения МОД по данным датчиков потока, которые встраиваются в дыхательные трубки аппарата искусственной вентиляции легких (ИВЛ), однако размещение таких датчиков в подводном дыхательном аппарате является вмешательством в конструкцию с нарушением целостности трактов дыхательного аппарата (п. РФ №2665624С1).
Известен способ выделения шумов дыхания водолаза с подводным аппаратом открытого цикла дыхания устройствами, не нарушающими целостность трактов дыхательного аппарата, при этом регистрирующее шумы устройство может быть как автономным, например диктофон, помещенный под водолазный костюм с последующим перенесением данных на компьютер, либо гидрофон, сигналы с которого в реальном времени передаются обеспечивающему водолазные спуски (п. № РФ №2625274С1). Зарегистрированные шумы дыхания водолаза раздельно фильтруют для выделения шумов вдоха в полосе частот свыше 1 кГц, а для выделения шумов выдоха в полосе частот до 500 Гц. Затем детектируют каждый фильтрованный сигнал. Сглаживают полученный сигнал, получая огибающую. По превышению уровня огибающей над фоном определяют фазы дыхания. Продолжительность фазы дыхания вычисляют как временной промежуток между начальным и конечным моментом времени вдоха или выдоха. Способ позволяет объективно определить продолжительность фаз вдоха и выдоха в каждом цикле дыхания в каждый момент времени пребывания водолаза под водой за счет раздельной фильтрации дыхательных шумов, однако способ не позволяет определять МОД.
Таким образом, все известные способы для оценки состояния органов дыхания водолазов под водой позволяют оценивать его либо по частоте дыхания, либо оценивать изменение вентиляционной функции легких водолаза после окончания водолазного погружения, либо для оценки МОД требуется размещение дополнительных датчиков в водолазном снаряжении, что будет являться вмешательством в конструкцию аппарата и потребует дополнительных испытаний работы водолазного оборудования разных производителей с датчиками легочной вентиляции.
Таким образом стоит техническая проблема - объективный контроль состояния водолаза под водой по данным МОД.
Технический результат - повышение оперативности способа определения легочной вентиляции водолаза по МОД без вмешательства в конструкцию дыхательного аппарата.
Проблема решается предлагаемым акустическим методом определения минутного объема дыхания водолаза под водой, при котором предварительно определяют значение непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси дыхательного аппарата водолаза, акустическим способом регистрируют шумы дыхания водолаза, выделяют шумы вдоха, определяют продолжительность шумов вдоха за одну минуту и вычисляют минутный объем дыхания водолаза под водой как произведение суммарной продолжительности шумов вдоха за одну минуту умноженную на значение скорости непрерывной принудительной подачи дыхательной смеси.
Заявляемый метод предоставит возможность вести контроль за состоянием водолаза под водой на основе одного из основных физиологических параметров дыхания при погружении под воду - минутного объема дыхания, при этом без вмешательства в конструкцию трактов дыхательной арматуры аппарата. Кроме этого, данный метод может быть реализован как дополнительный модуль регистрации легочной вентиляции, расположенный со стороны руководителя погружения; как дополнительная функция определения легочной вентиляции в декомпрессионном компьютере для самоконтроля водолазом. Способ также может быть реализован в самостоятельном устройстве регистрации легочной вентиляции с надводным модулем и погружаемом под воду гидрофоном на удалении от водолаза, а также внедрить технику оценки легочной вентиляции в техническом и любительском дайвинге.
Известно, что значение МОД зависит от уровня физической нагрузки и имеет линейную связь со скоростью потребления кислорода, что позволяет оценивать скорость обмена веществ, то есть в какой то мере оценить нагрузку на водолаза (Gourley J.: Fourteen: Tracking absorbent through oxygen consumption. In: Mount T, Dituri J. Exploration and mixed gas diving Encyclopedia. IAND Inc./IANTD, pp. 181-184 (2008). Учет влияния физической нагрузки на метаболизм позволит уточнять математическую модель расчета декомпрессионных / бездекомпрессионных таблиц в реальном времени.
Способ может быть реализован на любом дыхательном оборудовании использующим сжатую дыхательную смесь и поступающую в дыхательные пути через редуктор высокого давления на каждый вдох. Способ оценки значения непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси дыхательного аппарата перед погружением, как правило, указывается производителем в паспорте к водолазному снаряжению.
Шумы дыхания водолаза регистрируют любым доступным акустическим способом, например, с помощью микрофона системы звукоподводной связи, удаленным гидрофоном (Экспериментальные исследования возможности обнаружения дыхательных шумов легководолазов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2015, т. 8, №4. С. 67-71), датчиком, встроенным в декомпрессионный компьютер. Из зарегистрированных шумов водолаза, например, фильтрацией в полосе частот свыше 1 кГц (п. РФ №2625274) или сравнением сигнала шумов дыхания с моделью шума вдоха (п. США №7139701 В2) выделяют шумы вдоха. Продолжительность шумов вдоха оценивается, например, по превышению уровня сигнала над фоном (п. РФ №2625274), либо по интервалу между фронтами в начале и при окончании вдоха, либо схожестью с моделью шумов вдоха (п. США №9186070 В2).
Выполнена натурная апробация предложенного способа (Костив А.Е. Шум при дыхании водолаза в оборудовании со шланговой подачей дыхательной смеси // Noise Theory and Practice. 2023. №3 (34), (дата подписания в печать 30.09.2023). Продолжительность шумов вдоха определялась по наличию фронтов в начале и окончании вдоха с использованием спектрограммы. Водолаз находился под водой со средней частотой дыхания 17 дыхательных циклов в минуту и средней продолжительностью (и стандартным отклонением) вдоха 1,13 (0,3) секунды при На Фиг. 1 представлен фрагмент записи в виде спектрограммы шумов трех дыхательных циклов. Каждый цикл состоит (слева направо) из выдоха, вдоха и задержки дыхания. В одном из циклов дыхания вдох показан прямоугольником. Средняя легочная вентиляция, оцененная акустическим способом, составила 29 л/мин, что по сведениям, приведенным в работе Gourley J.: Fourteen: Tracking absorbent through oxygen consumption. In: Mount T, Dituri J. Exploration and mixed gas diving Encyclopedia. IAND Inc./IANTD, pp. 181-184, 2008 может свидетельствовать об умеренной нагрузке, соответствующей промежуточному значению между физической нагрузкой при активном перемещении в барокамере и по морскому дну. (Фиг. 2).
Claims (1)
- Акустический метод определения минутного объема дыхания водолаза под водой, включающий предварительное определение значения непрерывной принудительной скорости подачи дыхательной смеси используемого дыхательного аппарата, регистрирование акустическим способом шумов дыхания водолаза, выделение шумов вдоха, определение продолжительности шумов вдоха за одну минуту и вычисление минутного объема дыхания водолаза под водой как результат суммарной продолжительности шумов вдоха за одну минуту, умноженной на значение скорости непрерывной принудительной подачи дыхательной смеси.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2817491C1 true RU2817491C1 (ru) | 2024-04-16 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2038041C1 (ru) * | 1992-09-16 | 1995-06-27 | Московский энергетический институт | Способ регистрации дыхательных шумов |
| RU2328969C1 (ru) * | 2007-02-16 | 2008-07-20 | Аркадий Моисеевич Поводатор | Способ биотелеметрии внешнего дыхания человека |
| RU2405429C1 (ru) * | 2009-06-30 | 2010-12-10 | Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Способ контроля состояния вентиляционной функции легких человека при неблагоприятных воздействиях |
| US20110046499A1 (en) * | 2008-05-14 | 2011-02-24 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Respiratory monitors and monitoring methods |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2038041C1 (ru) * | 1992-09-16 | 1995-06-27 | Московский энергетический институт | Способ регистрации дыхательных шумов |
| RU2328969C1 (ru) * | 2007-02-16 | 2008-07-20 | Аркадий Моисеевич Поводатор | Способ биотелеметрии внешнего дыхания человека |
| US20110046499A1 (en) * | 2008-05-14 | 2011-02-24 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Respiratory monitors and monitoring methods |
| RU2405429C1 (ru) * | 2009-06-30 | 2010-12-10 | Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Способ контроля состояния вентиляционной функции легких человека при неблагоприятных воздействиях |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| LENNARTSSON R.K. Passive acoustic detection and classification of divers in harbor environments. OCEANS 2009: 1-7. * |
| КОРЕНБАУМ В.И. Экспериментальные исследования возможности обнаружения дыхательных шумов легководолазов. Фундаментальная и прикладная гидрофизика, т. 8, N4, 2015, 67-71 c. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2688453B2 (ja) | 動脈血液中ｃｏ２監視と閉ループ制奥装置 | |
| EP0502053B1 (en) | Apparatus for examining a patient's pulmonary function | |
| Lindholm et al. | Alveolar gas composition before and after maximal breath-holds in competitive divers | |
| WO2004073482A3 (en) | Method of measuring cardiac related parameters non-invasively via the lung during spontaneous and controlled ventilation | |
| Fisher et al. | Effect of oxygen at 2 atmospheres on the pulmonary mechanics of normal man. | |
| CA2460201A1 (en) | Non-invasive device and method for the diagnosis of pulmonary vascular occlusions | |
| US20220023558A1 (en) | Rescue breathing device | |
| Glass et al. | Responses of aerial ventilation to hypoxia and hypercapnia in Channa argus, an air-breathing fish | |
| Iyer et al. | Autoregressive modeling of lung sounds: characterization of source and transmission | |
| RU2817491C1 (ru) | Акустический метод определения минутного объема дыхания водолаза под водой | |
| Pasterkamp et al. | Effect of gas density on respiratory sounds. | |
| Pochekutova et al. | Acoustic estimation of the impact of a single dive using a closed-type breathing apparatus on the ventilatory function of the human lungs | |
| RU2625274C1 (ru) | Способ контроля физиологических параметров дыхательной системы водолазов | |
| van Ooij et al. | Lung function before and after oxygen diving: a randomized crossover study | |
| Simpson et al. | Energy cost of breathing at depth: effect of respiratory muscle training | |
| EP2378958A1 (en) | Methods and systems for analysing resuscitation | |
| Guyatt et al. | Measurement of human nasal ventilation using an oxygen cannula as a pitot tube | |
| Harris et al. | Liquid ventilation in dogs: an apparatus for normobaric and hyperbaric studies | |
| Pontier et al. | Exhaled nitric oxide concentration and decompression-induced bubble formation: An index of decompression severity in humans? | |
| Koehle et al. | Diffusing capacity and spirometry following a 60-minute dive to 4.5 meters | |
| Paulus | Capnography. | |
| Siafakas et al. | The rate of change of mouth occlusion pressure during exercise | |
| Gardner | Measurement of end-tidal PCO 2 and PO 2 | |
| GB2082328A (en) | Continuously Monitoring a Subject for Pulmonary Oxygen Toxicity | |
| CN105960198A (zh) | 病患的智能医疗监测 |