Дыхательный тренажер с биологической обратной связью

Полезная модель относится к медицине, а именно к нормализации количества углекислого газа в организме человека. Целью предлагаемой полезной модели является повышение удобства эксплуатации устройства со стороны пользователя и оптимизация его работы за счет упрощения конструкции без ухудшения технических характеристик. Для решения поставленной задачи предлагается дыхательный тренажер с биологической обратной связью, содержащий блок измерения скорости потока воздуха, дыхательный узел в виде загубника, ротоносовой маски или носового наконечника, дыхательную трубку, дыхательный шланг и незамкнутый накопительный сосуд, который может быть выбран различного объема, блок измерения пульса, блок измерения постоянного потенциала головного мозга, при снятии которого активный электрод находится на поверхности кожи головы, при этом в блок измерения скорости потока воздуха введен дифференциальный датчик давления, а дыхательная трубка имеет посередине диафрагму, по бокам от которой находятся отверстия, соединенные с дифференциальным датчиком давления; на выходе дыхательной трубки или незамкнутого накопительного сосуда может устанавливаться дополнительная диафрагма для увеличения сопротивления дыханию, информация о показателях дыхания, пульса и постоянного потенциала головного мозга отображается на жидкокристаллическом индикаторе или персональном компьютере. 2 илл.

Полезная модель относится к медицине, а именно к нормализации количества углекислого газа в организме человека.

В норме (у здорового человека) организм сам автоматически поддерживает нормальное содержание в крови (нормокапния). Вследствие стрессов и гиподинамии дыхание становится чрезмерным и с возрастом в организме возникает дефицит углекислого газа (гипокапния). Из-за этого нарушается регуляция тонуса гладкой мускулатуры, что приводит к нарушению кровоснабжения органов, повышению артериального давления (АД), усугубляет тяжесть гипертонической болезни, ишемической болезни, стенокардии, бронхиальной астмы, хронического бронхита, сахарного диабета второго типа, язвенной болезни желудка, гастрита, артроза, остеохондроза, ожирения, запоров...

Избавиться от болезней и необходимости приема сосудорасширяющих препаратов можно только за счет восстановления нормального содержания углекислого газа.

Общеизвестны дыхательные гимнастики Стрельниковой и Бутейко, при применении которых оптимизируется содержание углекислого газа в крови и организме человека.

Недостатком этих вариантов дыхательных гимнастик является то, что насыщение углекислым газом (% содержание) не контролируется ничем, кроме собственных ощущений человека, а это очень субъективно, и может не только не улучшить, но и ухудшить состояние здоровья.

Известен тренажер Фролова, см. патент РФ 2123865, состоящий из двух сообщающихся сосудов разных по объему, вложенных один в другой, гофрированной трубки и загубника. В этих сосудах отработанная дыхательная смесь, с увеличенным СO₂, которая переходит в другой сосуд и пациент через загубник дышит этой смесью с увеличенной концентрацией СO ₂, см., также www.lotos-om.ru. Для еще большего увеличения процентного содержания С02 во вдыхаемом воздухе используется третья внешняя камера в качестве которой используют банки различной емкости.

В этом тренажере не совсем удачный конструктив: один сосуд - лишний (а в случае применения третьей внешней камеры - два сосуда). В конечном счете предел увеличения содержания СO₂ во вдыхаемом воздухе зависит от общего объема всех камер тренажера, увеличивающих объем «мертвого пространствам в котором происходит смешивание атмосферного воздуха с выдыхаемым воздухом, содержащим повышенный процент СO₂ и пониженный O₂. Так, при увеличении объема мертвого пространства на 0,5 л после определенного количества дыхательных движений содержание СO₂ во вдыхаемой смеси установится на уровне 0,3%, при увеличении на 1 л - 1,5%, при увеличении на 1,5 л - 1,5%.

Вторым недостатком этого тренажера является невозможность контролировать изменение физиологических параметров организма во время тренировок.

Известен тренажер, физкультурный имитатор (ТФИ), см. патент РФ 2133629, «Способ уменьшения хронической гипоксии тканей», также патент РФ 2187341 «Способ повышения адаптационных и компенсаторных возможностей организмам.

По своей конструкции тренажер ТФИ практически идентичен тренажеру Фролова. Небольшое отличие метода связано с введением дополнительного устройства - гипоксикатора, позволяющего до или после тренировок оценивать уровень вентиляции легких и отслеживать его нормализацию. Однако оценка вентиляции легких этим методом имеет большую погрешность.

Недостатком этого устройства, является его недостаточная функциональность, т.е. не отслеживается процентное содержание углекислого газа в организме. Неудобство пользования, усложненность конструкции.

Известен патент РФ на изобретение 2345795 «Универсальный дыхательный тренажер с биологической обратной связью», содержащий маску для дыхания в ротоносовом исполнении, дыхательный шланг и незамкнутый сосуд, соединенные последовательно, отличающийся тем, что незамкнутый сосуд выполнен в варианте четырехсекционной камеры, которая состоит шлюзовой секции, первой и второй перепускной секций и накопительной секции, причем дыхательный шланг соединен со шлюзовой секцией, которая через обе перепускные секции соединена с накопительной секцией; первая и вторая перепускные секции имеют клапаны, пропускающие воздух только в одном направлении, причем первая работает на вдох, а вторая на выдох; шлюзовая секция имеет минимальный объем порядка 100 мл, а накопительная секция выполнена с регулируемым переменным объемом от 0 до 2000 мл, также эта секция имеет регулируемое отверстие расположенное внизу площадью от 13 до 201 мм² ; в первую и вторую перепускные секции помещены пневмотахометры; в него введены пульсоксиметр, блок постоянного потенциала, микроконтроллер и ЖКИ, соединенные следующим образом: выходы первого и второго пневмотахометра соединены с первым и вторым входами МС, выход пульсоксиметра соединен с третьим входом МС, а выход блока постоянного потенциала соединен с четвертым входом МС, выход которого соединен с входом ЖКИ; ЖКИ отображает следующую информации: пульс пациента, величину постоянного потенциала его головного мозга, скорость потока воздуха через перепускные секции и время его прохождения через каждую секцию в режиме вдоха и выдоха - ПРОТОТИП.

Недостатком его, при всех его положительных качествах, является усложненность конструкции устройства, а именно узел с перепускными секциями и клапанами излишен, можно его функции передать более простому узлу, кроме того, применение только ротоносовой маски сужает удобство применения устройства с точки зрения эффективности вдоха/выдоха.

Целью предлагаемой полезной модели является повышение удобства эксплуатации устройства со стороны пользователя и оптимизация его работы за счет упрощения конструкции без ухудшения технических характеристик.

Для решения поставленной задачи предлагается дыхательный тренажер с биологической обратной связью, содержащий блок измерения скорости потока воздуха, дыхательный узел в виде загубника, ротоносовой маски или носового наконечника, дыхательную трубку, дыхательный шланг и незамкнутый накопительный сосуд, который может быть выбран различного объема, блок измерения пульса, блок измерения постоянного потенциала головного мозга, при снятии которого активный электрод находится на поверхности кожи головы, при этом в блок измерения скорости потока воздуха введен дифференциальный датчик давления, а дыхательная трубка имеет посередине диафрагму, по бокам от которой находятся отверстия, соединенные с дифференциальным датчиком давления; на выходе дыхательной трубки или незамкнутого накопительного сосуда может устанавливаться дополнительная диафрагма для увеличения сопротивления дыханию; информация о показателях дыхания, пульса и постоянного потенциала головного мозга отображается на жидкокристаллическом индикаторе или персональном компьютере; носовой наконечник выполнен в виде двух конусов длиной 30 мм каждый, имеющих у основания внешний диаметр 15 мм, внутренний диаметр у основания конуса 14 мм, а на вершине - 8 мм.

На фиг.1 показана структурная схема тренажера, на фиг.2 - конструкция носового наконечника, на которых изображено: 1 - узел дыхания, 2 - дыхательная трубка с диафрагмой посередине, 3- измеритель потока воздуха с дифференциальным датчиком давления, 4 - дыхательный шланг, 5 - незамкнутые накопительные сосуды: 5а - неразборный незамкнутый сосуд, 5б - разборный незамкнутый сосуд переменного объема, 6 - насадка с дополнительной диафрагмой, 7 - датчик пульса с пульсометром, 8 - микроконтроллер (МС), 9 - блок постоянного потенциала головного мозга, 10 - жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), 11 - носовой наконечник.

Указанные узлы тренажера могут быть выполнены в следующем исполнении: узел дыхания 1 в виде загубника или ротоносовой маски, дыхательный шланг 4, датчик пульса 7 - стандартные, применяются почти во всех ИВЛ РФ; дыхательная трубка с диафрагмой посередине 2, незамкнутые накопительные сосуды 5, насадка с дополнительной диафрагмой 6, наконечник для носа 11 - собственного изготовления, дифференциальный датчик давления либо отечественный - по патенту 2329479, либо один из дифференциальных датчиков сверхмалого давления фирмы Honeywell см. www.micronika.ru. микроконтроллер 8 практически любой типа РIС или Ziloc, ЖКИ10 - цветной может быть взят с цифрового аппарата размером 2,4 - 3" (если тренажер в индивидуальном исполнении), а для физиокабинетов поликлиник или больниц можно использовать любой персональный компьютер, при этом МС 8 также не нужен, блок измерения постоянного потенциала головного мозга 9 представляет собой: два электрода, применяемые в электроэнцефалографии - один крепится к верхней части головы, второй как индифферентный электрод, и измерительный операционный усилитель, выполненный на ИМС AD8222, см.ж. «Электронные компоненты и системы», Киев, 2007, 1, стр.15.

Дыхательный тренажер с биологической обратной связью может быть собран в разных вариантах для различных видов тренировок.

Тренажер в упрощенной сборке без электроники содержит: дыхательный узел (ротоносовая маска, загубник или носовой наконечник), дыхательный шланг и незамкнутый накопительный сосуд, соединенные в единый сосуд переменной емкости и насадка с диафрагмой. Это простое устройство может с успехом заменять тренажеры Фролова и ТФИ, т.к. за счет переменной емкости накопительного сосуда 5 можно регулировать изменение процентного содержания СO₂ во вдыхаемой газовой смеси, а при помощи насадки с диафрагмой 6 увеличивать сопротивление вдоху-выдоху во время тренировок.

Наибольшее увеличение эффективности дыхательных тренировок дает исполнение тренажера в полном виде, т.е. с дыхательной трубкой, содержащей измерительную диафрагму посередине, и электроникой, как показано на фиг.1. При этом возможно проведение нескольких, принципиально разных режимов тренировок, которые взаимодополняют друг друга.

При функционировании тренажера без дыхательного шланга, незамкнутого накопительного сосуда и дополнительной диафрагмы на выходе мертвое пространство увеличивается лишь на объем дыхательной трубки. В этом варианте тренировок главное достоинство тренажера в наличии соединения дыхательной трубки с дифференциальным датчиком давления, что позволяет отслеживать продолжительности вдоха-выдоха, частоту и минутный объем дыхания. Помимо этого, за счет пульсометра отслеживается частота пульса. В профессиональных вариантах тренажера (изготавливаемых для клинического использования) предусмотрено наличие измерителя постоянного потенциала с кожи головы, величина которого зависит от кислотно-основного состояния крови в сосудах головного мозга [Фокин В.Ф., Пономарева Н.В. Энергетическая физиология мозга.: «Антидор», 2003, - 288 с, стр.56-57]. Таким образом, тренировка с помощью тренажера только с дыхательной трубкой делает возможным осуществление самых разнообразных дыхательных гимнастик с незначительным увеличением процентного содержания СO₂ во вдыхаемом воздухе и сопровождаемых отслеживанием динамики важнейших физиологических показателей (с биологической обратной связью).

Использование тренажера с дыхательной трубкой, дыхательным шлангом и незамкнутым накопительным сосудом позволяет дышать воздухом с повышенным процентным содержанием СO₂, которое определяется общим объемом камер тренажера (главным образом - объемом накопительной камеры). При этом во время дыхания газовой смесью с повышенным содержанием СO ₂ также отслеживается динамика измеряемых физиологических показателей.

Использование тренажера с дыхательной трубкой и насадкой с дополнительной диафрагмой позволяет проводить тренировки с отслеживанием измеряемых физиологических показателей при незначительном увеличении процентного содержания СO₂ во вдыхаемом воздухе, но при повышенном сопротивлении вдоху/выдоху, вызывающем удлинение во времени дыхательного цикла.

Использование тренажера с дыхательной трубкой, дыхательным шлангом, незамкнутым накопительным сосудом и дополнительной диафрагмой позволяет проводить тренировки с отслеживанием измеряемых физиологических показателей при повышенном процентном содержании СO₂ во вдыхаемом воздухе и повышенном сопротивлении вдоху/выдоху.

Работа тренажера происходит следующим образом.

При вдохе, когда поток воздуха двигается в дыхательной трубке в сторону воздухоносных путей пациента, возникает разность давления с разных сторон диафрагмы, находящейся посередине дыхательной трубки и создающей сопротивление потоку. Чем выше скорость потока воздуха, тем больше возникающая разность давления, измеряемая дифференциальным датчиком давления. Когда происходит выдох, поток воздуха начинает двигаться в другую сторону, при этом также возникает разность давлений по обе стороны от диафрагмы, но противоположной направленности. Регистрируемые дифференциальным датчиком давления показатели используются для вычисления МС 8 скорости потока воздуха, времени вдоха/выдоха, объемов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, частоты и минутного объема дыхания, отображая это на ЖКИ 10, на котором отображается пульс с пульсометра 7 и величина постоянного потенциала головного мозга с блока 9.

По данным с ЖКИ 10 пациент лично (а также лечащий врач) контролирует эффективность дыхательного процесса, и свое состояние по регистрируемым показателям. Таким образом, присутствует биологическая обратная связь, позволяющая повысить эффективность дыхательных тренировок.

1. Дыхательный тренажер с биологической обратной связью, содержащий блок измерения скорости потока воздуха, дыхательный узел в виде загубника, ротоносовой маски или носового наконечника, дыхательную трубку, дыхательный шланг и незамкнутый накопительный сосуд, который может быть выбран различного объема, блок измерения пульса, блок измерения постоянного потенциала головного мозга, при снятии которого активный электрод находится на поверхности кожи головы, при этом в блок измерения скорости потока воздуха введен дифференциальный датчик давления, а дыхательная трубка имеет посередине диафрагму, по бокам от которой находятся отверстия, соединенные с дифференциальным датчиком давления; на выходе дыхательной трубки или незамкнутого накопительного сосуда может устанавливаться дополнительная диафрагма для увеличения сопротивления дыханию.

2. Дыхательный тренажер с биологической обратной связью по п.1, отличающийся тем, что информация о показателях дыхания, пульса и постоянного потенциала головного мозга отображается на жидкокристаллическом индикаторе или персональном компьютере.

3. Дыхательный тренажер с биологической обратной связью по п.1, отличающийся тем, что носовой наконечник выполнен в виде двух конусов длиной 30 мм каждый, имеющих у основания внешний диаметр 15 мм, внутренний диаметр у основания конуса 14 мм, а на вершине 8 мм.