способ исследования механики дыхания

Формула изобретения

Способ исследования механики дыхания на основе электромиографического сигнала с дыхательной мускулатуры и пневмотахографического сигнала, отличающийся тем, что одновременно регистрируют сигналы электромиографии с дыхательных мышц и скоростные характеристики вдыхаемого/выдыхаемого воздуха при различных дыхательных маневрах, регистрируемые сигналы оцифровывают блоком АЦП и дальнейшую их обработку проводят в цифровой форме с помощью ЭВМ, из объемной скорости движения воздуха вычисляют характеристики ускорения вдыхаемого/выдыхаемого воздуха, расчет показателей электромиограммы проводят отдельно для каждой фазы дыхательного цикла, отдельно рассматривают работу дыхательных мышц во время вдоха и во время выдоха.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к области медицины и может быть использован для исследования механики дыхания.

Прототипом был избран способ исследования механики дыхания на основе регистрации изменений внутриплеврального давления, потока воздуха и объема легких /Руководство по клинической физиологии дыхания. //Под ред. Л.Л.Шика, Н.Н.Канаева. - Л.: Медицина, 1980, с.78/. Исследование предусматривает синхронное измерение при дыхании объемной скорости движения воздуха, объема легких и внутрипищеводного давления, отражающего динамику изменений внутриплеврального давления, что позволяет определить растяжимость легких как изменение их объема на единицу изменения давления. Также этот метод позволяет рассчитать сопротивление воздухоносных путей при спокойном дыхании. Однако при этом результаты будут включать также вязкое сопротивление тканей. Внутриплевральное давление определяется, с одной стороны, силами, противодействующими эластической тяге легких, а с другой - силами, преодолевающими сопротивление воздухоносных путей и тканей. Можно вычесть из внутриплеврального давление, обусловленное эластической тягой легких, так как при спокойном дыхании (при постоянной растяжимости легких) оно пропорционально легочному объему. Такое вычитание осуществляется с помощью специальной электронной схемы. В результате измеряется отношение давления к расходу, равное суммарному вязкому сопротивлению воздухоносных путей и тканей.

Известный способ исследования механики дыхания имеет следующие недостатки:

1) способ не позволяет судить об активности дыхательной мускулатуры как центральном исполнительном звене дыхательной системы;

2) инвазивность способа, обусловленная необходимостью введения катетера в пищевод исследуемого;

3) способ не позволяет определить вклад каждой дыхательной мышцы в общую работу дыхательной мускулатуры.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная цель достигается синхронной регистрацией сигнала электромиографии с дыхательных мышц и скоростных характеристик вдыхаемого/выдыхаемого воздуха.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом: одновременно регистрируются сигналы электромиографии с дыхательных мышц и скоростные характеристики вдыхаемого/выдыхаемого воздуха при различных дыхательных маневрах (пневмотахограмма). Регистрируемые сигналы оцифровываются блоком АЦП и дальнейшая их обработка происходит в цифровой форме с помощью ЭВМ. Из объемной скорости движения воздуха вычисляются характеристики ускорения вдыхаемого/выдыхаемого воздуха путем дифференцирования функции скорости движения воздуха численными методами. Для дифференцирования используют метод центральной разностной производной /Амосов А.А. Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. - М.: Высш. шк., 1994. - Гл. 12/.

Расчет показателей электромиограммы ведется отдельно для каждой фазы дыхательного цикла. Отдельно рассматривается работа дыхательных мышц во время вдоха и во время выдоха. Рассчитывают амплитуду огибающей ЭМГ, а также спектральные характеристики ЭМГ сигнала: отношение амплитуды на высоких частотах к амплитуде на низких в диапазоне 500-50 Гц; мощность спектра - площадь спектра в диапазоне от 500 до 50 Гц; центральная частота спектра ЭМГ (ЦЧ) - частота, на которой находится средняя амплитуда амплитуд на 50 и 500 Гц; средняя частота спектра ЭМГ (СЧ) - частота, на которой находится половина силы спектра изучаемого диапазона частот: 50-500 Гц; максимальная частота спектра ЭМГ (Чмакс) - частота, на которой регистрируется максимальная амплитуда электрической активности.

Преимущество заявляемого способа состоит в том, что совместное использование электромиографии и пневмотахографии позволяет неинвазивно установить взаимосвязь между активностью дыхательной мускулатуры и скоростью (ускорением) вдыхаемого/выдыхаемого воздуха. Данная взаимосвязь обусловлена механическими свойствами грудных и абдоминальных структур. Техника проведения заявленного способа исследования механики дыхания является более простой по сравнению с известным способом, в то же время наименее травматичной для исследуемого.

Ниже приводится выписка из протокола исследования испытуемого.

Испытуемый К., 25 лет. Клинически здоровый. С целью исследования механики дыхания проведена параллельная регистрация паттерна дыхания при помощи пневмотахографа и электромиограммы (ЭМГ) при помощи электромиографа. Исследования проводили в условиях относительного покоя через 3 часа после приема пищи. Для регистрации ЭМГ использовали поверхностные круглые электроды размером 8 мм в диаметре, выполненные из латуни. Контактная поверхность электродов с помощью ионного напыления была покрыта слоем серебра. С помощью аналого-цифрового преобразователя сигналы с пневмотахографа и электромиографа преобразовывались в цифровой код и автоматически обрабатывались программными средствами на ЭВМ.

Снимались сигналы с 4 групп мышц.

1. Диафрагма. Биполярные электроды накладывались в 6-7 межреберье справа на уровне наружного края прямой мышцы живота. В этом месте имеется апоневротическое окно, т.е. отсутствуют мышечные пласты вплоть до костной основы грудной клетки, к которой непосредственно прилежит костальная часть диафрагмы.

2. Большая грудная мышца - это самая поверхностная вспомогательная дыхательная мышца, располагающаяся на грудном каркасе, она наиболее доступна при исследовании поверхностными электродами.

Электроды для регистрации ЭМГ накладывались справа по среднеключичной линии в 3-4 межреберье, у женщин на 1 межреберье выше из-за молочной железы.

3. Грудино-ключично-сосцевидная мышца - одна из самых мощных вспомогательных мышц. У места перехода ножек в единую мышцу и несколько выше она непосредственно располагается под кожей. Тонкая платизма, не участвующая в акте дыхания и сокращающаяся при поворотах головы, не оказывает влияния на ЭМГ грудино-ключично-сосцевидной мышцы. Электроды накладывались следующим образом: нижний - на 2-3 см выше ключицы, верхний - на 2 см выше нижнего электрода.

4. Прямая мышца живота выбрана как экспираторная мышца с учетом ее поверхностного залегания и удобного подхода к наложению электродов. Электроды накладывались на 2-3 см латеральнее пупка.

Для снижения переходного сопротивления кожу в месте наложения электродов обрабатывали спиртом с целью обезжиривания и наносили электродную пасту. Исследование электрической активности дыхательных мышц проводилось в положении сидя, в удобном для пациента кресле при полном расслаблении. Электроды фиксировались широкополосным лейкопластырем или липкими круговыми лентами, применяющимися для фиксации электрокардиографических электродов.

Порядок проведения исследования:

1. Спокойное дыхание на протяжении 30 секунд. Регистрируется электромиограмма с диафрагмы (кривая а, Фиг.1), большой грудной мышцы (кривая г, Фиг.1), грудино-ключично-сосцевидной (кривая д, Фиг.1), прямой мышцы живота (кривая е, Фиг.1), чувствительность миографа 0,01 мВ/см. Поток вдыхаемого/выдыхаемого воздуха (кривая б, Фиг.1) и ускорение (кривая в, Фиг.1), как первая производная от скорости.

2. Маневр форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ). Пациент делает максимальный выдох, затем максимальный вдох, после чего резкий максимальный выдох. Регистрируется электромиограмма с диафрагмы (кривая а, Фиг.2), большой грудной мышцы (кривая г, Фиг.2), грудино-ключично-сосцевидной (кривая д, Фиг.2), прямой мышцы живота (кривая е, Фиг.2), чувствительность миографа 0,2 мВ/см. Поток вдыхаемого/выдыхаемого воздуха (кривая б, Фиг.2) и ускорение (кривая в, Фиг.2), как первая производная от скорости.

3. Маневр максимальной вентиляции легких (МВЛ). Регистрируется электромиограмма с диафрагмы (кривая а, Фиг.3), большой грудной мышцы (кривая г, Фиг.3), грудино-ключично-сосцевидной (кривая д, Фиг.3), прямой мышцы живота (кривая е, Фиг.3), чувствительность миографа 0,05 мВ/см. Поток вдыхаемого/выдыхаемого воздуха (кривая б, Фиг.3) и ускорение (кривая в, Фиг.3), как первая производная от скорости.

Из таблицы (Фиг.4) видно, что по мере увеличения электрической активности мышц при различных режимах дыхания, отражаемой величиной амплитуды электромиографического сигнала, увеличивается скорость (ускорение) вдыхаемого/выдыхаемого воздуха. Параллельно наблюдается изменение спектральных характеристик ЭМГ.

Соотношение величин амплитуды и спектральных характеристик ЭМГ сигнала и скоростных показателей паттерна дыхания зависит от механических свойств грудной клетки и легких, что позволяет исследовать механику дыхания.

Таким образом, заявленный способ может успешно применяться для неинвазивного исследования механики дыхания в современной медицине.