Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання
Розглянуто алгоритм та деталі методики аналізу повітря, що видихає людина, на вміст маркерних газів та обговорюються шляхи апаратного вирішення проблеми. Рассмотрены алгоритм и особенности методики анализа выдыхаемого человеком воздуха на наличие маркерных газов и обсуждаются пути аппаратного решени...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2012
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46491 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання / С.І. Лукаш, Л.П. Вакал // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2012. — № 11. — С. 83-90. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859790994600361984 |
|---|---|
| author | Лукаш, С.І. Вакал, Л.П. |
| author_facet | Лукаш, С.І. Вакал, Л.П. |
| citation_txt | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання / С.І. Лукаш, Л.П. Вакал // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2012. — № 11. — С. 83-90. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| description | Розглянуто алгоритм та деталі методики аналізу повітря, що видихає людина, на вміст маркерних газів та обговорюються шляхи апаратного вирішення проблеми.
Рассмотрены алгоритм и особенности методики анализа выдыхаемого человеком воздуха на наличие маркерных газов и обсуждаются пути аппаратного решения проблемы.
An algorithm and features of a technique for analysis of exhaled air on presence of marker gases are considered and ways for a hardware solution of the problem are discussed.
|
| first_indexed | 2025-12-02T11:47:12Z |
| format | Article |
| fulltext |
83 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11
S.I. Lukash, L.P. Vakal
DEVELOPMENT OF THE
MEASUREMENT TECHNIQUE
OF MARKER GASES
IN A BREATH AIR
An algorithm and features of a tech-
nique for analysis of exhaled air on
presence of marker gases are consi-
dered and ways for a hardware solu-
tion of the problem are discussed.
Key words: biomarkers, exhaled air,
sensors.
Рассмотрены алгоритм и особен-
ности методики анализа выдыха-
емого человеком воздуха на нали-
чие маркерных газов и обсужда-
ются пути аппаратного решения
проблемы.
Ключевые слова: маркерные газы,
диагностика, датчики.
Розглянуто алгоритм та деталі
методики аналізу повітря, що ви-
дихає людина, на вміст маркер-
них газів та обговорюються шля-
хи апаратного вирішення проб-
леми.
Ключові слова: маркерні гази, діа-
гностика, датчики
С.І. Лукаш, Л.П. Вакал, 2012
ÓÄÊ 681.3; 591.3
Ñ.І. ËÓÊÀØ, Л.П. ВАКАЛ
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ВИМІРІВ
МАРКЕРНИХ ГАЗІВ У ПОВІТРІ
ДИХАННЯ
Вступ. Для оперативного контролю стану
здоров’я та працездатності організму людини
за складом повітря, що вона видихає, зокре-
ма, в процесі тренування спортсменів, доста-
тньо здійснювати контроль концентрації та-
ких маркерних газів як СО2, О2 і СО.
Більш інформативним є одночасні виміри
й інших характеристик організму людини,
таких як частота дихання (ЧД), частота сер-
цевих скорочень (ЧСС), вологість Н та тем-
пература Т повітря, що видихається, і ком-
плексна, інтегральна їх оцінка.
В роботах [1, 2] розглянуто методи аналізу
повітря видиху на наявність маркерних газів
і обговорюються шляхи апаратного вирішен-
ня проблеми.
Загальну фізичну працездатність людини
можна представити як інтегральний показник
сукупності характеристик, які зумовлені ста-
ном організму і в першу чергу продуктив-
ністю апарата кровообігу і дихання, об’ємом
і складом циркулюючої крові, можливостями
цих систем організму забезпечувати працю-
ючі органи і тканини киснем.
Сучасні прилади дозволяють вивчати по-
глинання кисню й виділення вуглекислоти не
тільки в спокої, але й при фізичному наван-
таженні, що дає додаткову інформацію про
функції легенів. Вентиляція і легеневий кро-
вообіг, перенос кисню і вуглекислого газу,
дифузійна здатність при навантаженні мо-
жуть зростати в декілька разів. Для регульо-
ваного навантаження використають тред-
мілл, велоергометр, степ-тест та ін.
С. І. ЛУКАШ, Л.П. ВАКАЛ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 84
Зміни концентрації О2 і СО2 у повітрі дихання при певних умовах і наванта-
женнях на організм можуть досягати декількох відсотків. У спортсменів фізична
напруга супроводжується підвищенням температури, частоти дихання, частоти
серцевих скорочень і вимагає додаткового споживання кисню, при цьому конце-
нтрація вуглекислого газу у видиху зростає від 0,3 до 6,5 %.
Саме моніторинг концентрації СО2, О2 і СО, визначення об’ємів цих газів,
виділених при видиху, їх співвідношення, виконується в розробленому портати-
вному інтелектуальному приладі на основі мікропроцесорної техніки з викорис-
танням електрохімічних та інших сенсорів.
Методологічні основи та моделі. Основні функції приладу:
- вимірювання компонентів повітря дихання у стані спокою та під час фізи-
чних навантажень;
- визначення в динамічному режимі концентрації кисню у повітрі в межах
10 ÷ 25 об. % і моно- та диоксиду вуглецю у межах 0,3 ÷ 10 об. % та інших
параметрів у реальному часі;
- збереження даних у внутрішній пам’яті переносного блоку приладу;
- передавання даних на запит на значні відстані по радіоканалу;
- обробка результатів вимірів із застосуванням математичного моделювання
та інтелектуальних технологій.
Процес дихання та концентрація газів відображаються на переносному бло-
ці приладу як у вигляді відповідних числових показників, так і у вигляді графі-
ків на дисплеї блоку або на моніторі віддаленого комп’ютера. Графіки можна
виводити також на паперову стрічку автономного портативного термопринтера,
який підключається до переносного блоку. Програмне забезпечення аналізує
комплекс даних та у відповідності до застосованої математичної моделі форму-
лює висновок про результат вимірювань фізичного стану спортсмена.
Загальний алгоритм роботи аналізатора складається з алгоритмів роботи рі-
зних блоків (рис. 1).
Алгоритм роботи блоку мультисенсорів включає:
- встановлення технічних характеристик сенсорів (початкового опору при
кімнатній температурі, оптимальної напруги живлення, оптимальної чутливості
до групи газів, що аналізуються);
- вибір діапазону температур нагрівання прошарків для отримання найбільш
ймовірних ознак;
- визначення кількості вимірів інформаційного сигналу за час зміни темпе-
ратури прошарку на дискретний крок.
Алгоритм роботи контролера містить:
- ідентифікацію інтерфейсу;
- перевірку стану готовності портів та каналів;
- підготовку внутрішньої бази даних;
- підготовку допоміжних блоків до роботи;
- формування командних сигналів для роботи інтерфейсу в обраному режимі
(ручному або автоматичному);
- зчитування та занесення до блоку пам’яті даних;
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ВИМІРІВ МАРКЕРНИХ ГАЗІВ У ПОВІТРІ ДИХАННЯ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 85
- організацію обміну інформацією з комп’ютером.
Програмне забез-
печення містить такі
основні компоненти:
- модуль керування
роботою апаратних
засобів і блоків;
- модуль поперед-
ньої обробки даних;
- модуль обробки
даних відповідно до
закладеної математи-
чної моделі;
- модуль експерт-
ної системи та фор-
мування рішень.
Перший модуль
разом із підпрогра-
мами автоматизова-
ного керування до-
зволяє оператору в
інтерактивному ре-
жимі визначати умо-
ви роботи, робочі
параметри режиму,
шляхи збереження
даних.
Застосування ме-
тодики підготовки
проби повітря видиху
шляхом збору повіт-
ря в мішок Дугласа
[3] з подальшим про-
ходженням цього по-
вітря через блок дат-
чиків дає змогу вра-
хувати часові пара-
метри сенсорів.
РИС. 1. Загальний алгоритм роботи газоаналізатора
На рис. 2 показано одне із вікон програмного інтерфейсу. Програма дає змо-
гу оператору працювати не тільки з раніш отриманими текстовими файлами
даних, але й у режимі реального часу. Для цього достатньо приєднати мішок Ду-
С. І. ЛУКАШ, Л.П. ВАКАЛ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 86
гласа з пробою повітря до пневматичного входу аналізатора і натиснути кнопку
«Прилад». При цьому запускається підпрограма керування роботою вимірюва-
льної частини приладу і відкривається нове вікно, в якому представлено зміну
вихідних сигналів датчиків у часі та числові значення виміряних температури і
вологості в камері датчиків. Знання реальної температури і вологості дає змогу
привести дані до стандартних умов. Усереднення значення сигналів відбуваєть-
ся за час аналізу. Кількість необхідних даних для інтегральної оцінки вибираєть-
ся оператором за допомогою програмного забезпечення.
РИС. 2. Загальний вигляд основного вікна програмного інтерфейсу
В математичній моделі інтегральної оцінки працездатності людини врахо-
вуються такі показники, як концентрація маркерних газів, температура та воло-
гість повітря, що видихається в камері датчиків, а також виміряні окремо часто-
та серцевих скорочень, кров’яний тиск, вік та стать. Модель базується на зако-
номірностях, встановлених при вивченні впливу названих показників на стан
організму.
Працездатність людини, і зокрема спортсмена, залежить в основному від то-
го, яка кількість кисню перейшла із зовнішнього повітря у кров легеневих капі-
лярів і була транспортована в тканини й клітини організму. Встановлено, що
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ВИМІРІВ МАРКЕРНИХ ГАЗІВ У ПОВІТРІ ДИХАННЯ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 87
існує кореляція між вмістом кисню та вуглекислого газу в альвеолярному повіт-
рі легенів і вмістом цих газів у крові. Наприклад, за даними роботи [4] максима-
льне споживання кисню людьми, що ведуть активний спосіб життя, в залежності
від віку можна апроксимувати лінійною залежністю (див. рис. 3, а).
Критерій визначення величини фактора, вихід за межі якого дозволяє роз-
глядати його як екстремальний, встановлюється дослідником виходячи із помі-
чених змін функціонального стану людини і з урахуванням особливостей його
діяльності. Так, вміст кисню у повітрі вдиху 16 %, який прийнятний для людини
в стані спокою, є екстремальним при інтенсивній фізичній праці. Також, якщо
нормувати вміст СО у повітрі видиху за критерієм зміни частоти серцевих ско-
рочень, то за норму приймається не та величина, при якій у певної людини по-
чалася зміна пульсу, а величина, при якій у 95 % людей ще зберігається висхідне
значення величини пульсу.
а б
РИС. 3. Максимальне споживання О2 людьми з активним способом життя в залежності від
віку (а) та вміст СО2 у видиху при фізичній праці (б)
Динаміка процентного вмісту вуглекислого газу у повітрі видиху в групі
з 5-ти спортсменів віком (19 22) років, вагою (69 ± 3,6) кг показана на
рис. 3, б [5].
Вуглекислий газ, що надходить в організм через дихальні шляхи і шкіру,
змінює стан хеморецепторів аорти й каротидного синуса, стан мозкових струк-
тур, відповідальних за регуляцію кровообігу й подиху: знижується симпатична й
підсилюється парасимпатична дія на тонус судин і ритм серцевої діяльності, ча-
стоту і глибину подиху [6].
Дослідження гемодинаміки протягом години після вуглекислої ванни у
хворих інфарктом міокарда в ІІ фазі реабілітації показали фазність змін основ-
них її параметрів (рис. 4). Безпосередньо після ванни зменшується частота сер-
цевих скорочень.
У роботі [7] з посиланням на роботу G. Borg та його колег наводяться дані
по дослідженню реакції організму людини на виконання тесту на велоергометрі.
Потужність приладу змінювали кроками: 40 70 100 150 200 Вт. Темп –
С. І. ЛУКАШ, Л.П. ВАКАЛ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 88
60 обертів/хв. Випробуваними були практично здорові чоловіки: кількість – 8,
вік – (26 ± 1) років, довжина тіла – (178 ± 4) см, вага – (72,0 ± 7,0) кг. На рис. 5
показані результати дослідження.
На роботу серця впливає також температура. Підвищення температури тіла,
наприклад, при захворюванні або навантаженнях, приводить до значного збіль-
шення частоти серцевих скорочень, а зниження температури зменшує ЧСС (при
цьому зниження до 15 20° С призводить до зупинки серця і смерті людини).
Оптимальна функція серця в значній мірі залежить від регуляції сталості темпе-
ратури тіла нервовими центрами. У людей, які займаються спортом, серце в ста-
ні напруги може працювати з частотою понад 200 скорочень на хвилину. Через
судини проходить у цей час крові в 4 5 разів більше, ніж у стані спокою [8, 9].
РИС. 4. Зміна ЧСС у часі під впливом
дії вуглекислої ванни
РИС. 5. Зв'язок між ЧСС та потужністю
навантаження
Для інтегральної оцінки стану пацієнта необхідно зіставляти отримані абсо-
лютні значення показників з їх відповідними значеннями для здорової люди-
ни того ж віку, зросту, ваги і статі. Таке співставлення виконується у відсотках
від показника норми. Значення, які відхиляються від норми більше, ніж на
15 20 %, вважаються патологічними.
На етапі аналізу вимірів виконується також порівняння отриманих експери-
ментальних даних з даними накопичених знань. Увесь комплекс цих проблем
вирішується з більшим або меншим ступенем прийнятності при введенні деяких
припущень і обмежень у математичну модель обробки даних.
Використання наведених у науковій літературі закономірностей дає можли-
вість апроксимувати експериментальні дані відповідними математичними вира-
зами та застосувати їх у моделі інтегральної оцінки стану організму людини.
Апаратура та методика вимірів. Повірочна газова суміш (ПГС ) (газ СО2
стандартне повітря) приготовлена в балоні за ДСТ 949-73 ПГС відповідно до
ТУ підприємства-виготовлювача ПГС і вміщувала 4,9 % СО2 + 95,1 % стандарт-
ного повітря. Погрішність приготування ПГС становила 20 %.
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ВИМІРІВ МАРКЕРНИХ ГАЗІВ У ПОВІТРІ ДИХАННЯ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 89
Газовий редуктор забезпечував зниження тиску до 100 – 110 кПа, для регу-
льованої подачі ПГС використали голчастий вентиль тонкого регулювання. Ко-
нтроль потоку газу здійснювали по ротаметру. Проба газу заповнювала мішок
Дугласа об’ємом V. Ця проба по системі повітропроводу надходила в камеру з
датчиками. Перетин повітропроводу 4 мм 2, довжина не перевищувала 20 см.
Результати вимірів. При дискретній подачі газу, що відповідає умовам
прямого виміру дихання, значення концентрації можна отримати як середнє
значення максимального сигналу датчика за час, що забезпечує достатню точ-
ність.
а б
РИС. 6. Вид сигналів датчика для газу СО2 (а) та СО (б)
В експериментах використано дві повірочні газові суміші: СО2 + повітря і
СО + повітря. На рис. 6 показано типовий відгук у часі електрохімічного датчи-
ка при дискретній подачі газу за допомогою програмованого електромеханічно-
го пневматичного вентиля для газу СО2 (а) та СО (б).
Відгук датчика для газу СО має інший вигляд (рис. 6, б): швидкі реакція і
спадання сигналу протягом 2 с при дискретній подачі газу.
Досліджуваний датчик мав високу чутливість і малий час відгуку.
На рис. 7 показано типовий відгук у часі електрохімічного датчику для газу
СО2 при безперервній подачі його з мішка Дугласа (а).
Час реакції системи на раптову зміну концентрації газу (response tіme) скла-
дається із двох складових:
- час доставки газової суміші з об’єму проби у вимірювальну камеру (delay
tіme). Час доставки залежить від швидкості подачі газу, а також від довжини ма-
гістралі. Він зменшується при скороченні пневматичної магістралі;
- швидкість виміру (rіse tіme) визначається як період від моменту надхо-
дження порції газу в камеру датчиків до моменту підйому сигналу до рівня 90 %
реальної величини.
С. І. ЛУКАШ, Л.П. ВАКАЛ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 90
Часові параметри застосованого обла-
днання можна оцінити за даними експери-
менту і оптимізувати їх для серійних при-
ладів.
Так, для вказаних розмірів пневматич-
ного обладнання час реакції складав не бі-
льше 10 с, а швидкість вимірів для обраних
датчиків – не більше 20 с.
Оптимізація цих параметрів можлива
за умови зменшення довжини повітро-
проводів та чутливості й швидкодії засто-
сованих датчиків. Сучасні електрохімічні
сенсори, що існують у продажі, відповіда-
ють цим вимогам.
РИС. 7. Реакція датчика на газ СО2
Висновки. Забезпечення органів дихання повітрям, що збагачене киснем,
сприяє підвищенню працездатності. Таким чином, контроль за процентною різ-
ницею компонентів складу повітря, що вдихає і видихає людина, дає змогу оці-
нювати її працездатність або стан.
Розробка апаратури і методики для віддаленого контролю стану здоров’я
людини на основі мікропроцесорної техніки сприяє підвищенню ефективності
діагностики і є актуальним напрямком у медицині. Аналіз повітря дихання паці-
єнта відноситься до неінвазивних методів діагностики, що й викликає підвище-
ний інтерес.
1. Ястребов Ю.В. Способ определения физической работоспособности человека. Па-
тент РФ № 2 377 952 (БИ № 1 от 10.01.2010).
2. Лукаш С.І. Разработка методики измерения СО2 в выдыхаемом воздухе // Комп’ю-
терні засоби, мережі та системи. – 2011. – № 10. – С. 119 – 125.
3. Мішок Дугласа. http://cosmo.od.ua/?nid=9465.
4. Браун С., Грэхем Д. Практическое руководство для начинающего марафонца.
http://lot-marafon.narod.ru/stati/040041.htm.
5. Биомеханические предпосылки тренировки дыхательной системы спортсменов.
http://www.sporttec.ru/articles/biomexanic_predposylk_trenirov/ .
6. Сорокина Е.И. Физические методы лечения в кардиологии. – М.: Медицина, 1989.
http://lekmed.ru/info/arhivy/balneogidroterapiya-v-lechenii-bolezney-serdechno-
sosudistoy-sistemy-2.html.
7. Орел В.Р., Селуянов В.Н. Реакция сердечно-сосудистой системы на локальную и гло-
бальную мышечную работу. http://sport.mipt.ru/science/physiology/work-28
8. Влияние температуры тела на сердце. http://meduniver.com/Medical/Physiology/
546.html .
9. Сердечно-сосудистая система. http://health.mail.ru/content/patient/24/.
Одержано 06.09.2012
http://cosmo.od.ua/?nid=9465
http://lot-marafon.narod.ru/stati/040041.htm
http://www.sporttec.ru/articles/biomexanic_predposylk_trenirov/
http://lekmed.ru/info/arhivy/balneogidroterapiya-v-lechenii-bolezney-serdechno-sosudistoy-sistemy-2.html
http://lekmed.ru/info/arhivy/balneogidroterapiya-v-lechenii-bolezney-serdechno-sosudistoy-sistemy-2.html
http://sport.mipt.ru/science/physiology/work-28
http://meduniver.com/Medical/Physiology/%20546.html
http://meduniver.com/Medical/Physiology/%20546.html
http://health.mail.ru/content/patient/24/
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46491 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T11:47:12Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лукаш, С.І. Вакал, Л.П. 2013-06-30T11:54:31Z 2013-06-30T11:54:31Z 2012 Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання / С.І. Лукаш, Л.П. Вакал // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2012. — № 11. — С. 83-90. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46491 681.3; 591.3 Розглянуто алгоритм та деталі методики аналізу повітря, що видихає людина, на вміст маркерних газів та обговорюються шляхи апаратного вирішення проблеми. Рассмотрены алгоритм и особенности методики анализа выдыхаемого человеком воздуха на наличие маркерных газов и обсуждаются пути аппаратного решения проблемы. An algorithm and features of a technique for analysis of exhaled air on presence of marker gases are considered and ways for a hardware solution of the problem are discussed. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання Development of the measurement technique of marker gases in a breath air Article published earlier |
| spellingShingle | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання Лукаш, С.І. Вакал, Л.П. |
| title | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання |
| title_alt | Development of the measurement technique of marker gases in a breath air |
| title_full | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання |
| title_fullStr | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання |
| title_full_unstemmed | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання |
| title_short | Розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання |
| title_sort | розробка методики вимірів маркерних газів у повітрі дихання |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46491 |
| work_keys_str_mv | AT lukašsí rozrobkametodikivimírívmarkernihgazívupovítrídihannâ AT vakallp rozrobkametodikivimírívmarkernihgazívupovítrídihannâ AT lukašsí developmentofthemeasurementtechniqueofmarkergasesinabreathair AT vakallp developmentofthemeasurementtechniqueofmarkergasesinabreathair |