АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОРГАНИЗМА
Кисляков Ю.Я., Кислякова Л.П., *Михайлов В.М., *Полукаров И.А.
Институт аналитического приборостроения РАН, *ГНЦ РФ Институт медикобиологических проблем РАН, e-mail: [email protected]
Представлен автоматизированный аналитический комплекс для исследования процессов
аэробного энергообмена организма по интенсивности потребления О2 и выделения СО2 при
физических нагрузках. Он включает сенсорные, электронные и компьютерные модули измерений и
анализа. Комплекс в стационарном или мобильном исполнении может использоваться для
биологических, медицинских и экологических исследований.
Важнейшим условием ускоренного развития российской экономики и
достижения необходимого уровня национальной безопасности является высокий
уровень работоспособности населения, определяемый здоровьем всех возрастных
групп. Между тем по всей территории страны отмечается его ухудшение. Особую
тревогу вызывает состояние здоровья детей, молодежи призывного возраста,
женщин детородного возраста, трудоспособного населения и специалистов,
работающих в напряженных и экстремальных условиях. В такой ситуации
принимаемые меры, направленные на поддержание и восстановление этой
категории трудовых ресурсов страны должны быть научно обоснованы и учитывать
общие и индивидуальные возрастные, половые и физиологические особенности
организма. Их успешное осуществление возможно лишь при организации
высокоинформативной,
оперативной,
регулярной,
массовой,
недорогой
диагностики индивидуального физического здоровья и функционального состояния
физиологических систем, определяющих состояние организма, тесно связанной с
системой прогнозирования, лечения и реабилитации здоровья большого
контингента людей. Для оптимального решения этой проблемы необходимы
относительно дешевые быстродействующие диагностические комплексы нового
поколения, основанные на реализации современных медико-биологических
методов неинвазивного контроля здоровья по состоянию энергетического и
пластического метаболизма, определяемого по ключевым физиологическим и
биохимическим показателям кардио-респираторной и метаболической систем. В
таких комплексах нуждаются тысячи больниц, диагностических центров,
спортивных и военных организаций. Существующие импортные комплексы (EOSSprint, ER 800, ER 900, Ergo-line, Oxycon 5, Meta Max 3B) стоимостью выше двух
миллионов рублей малодоступны для отечественной медицины.
Для решения указанной выше задачи массовой, экономически доступной
диагностики индивидуального физического здоровья был разработан отечественный
малогабаритный автоматизированный комплекс. Он представляет собой
компьютеризированную диагностическую систему модульного типа для
одновременного контроля параметров дыхания и содержания респираторных газов
(О2 и СО2) в потоке выдыхаемого воздуха и окружающей среде, для определения на
этой основе показателей механики дыхания и аэробного энергообмена. Он состоит
из 3-х измерительных и 2-х компьютерных модулей (управления и анализа) и блока
пробоподготовки.
Модуль измерений параметров дыхания предназначен для непрерывной
регистрации объемной скорости потока воздуха в процессе каждого вдоха и
выдоха с помощью высокочувствительного тензометрического датчика давления.
Модули контроля содержания О2 (метод амперометрии) и СО2 (метод
молекулярной корреляционной инфракрасной спектроскопии) осуществляют
непрерывные измерения содержания этих газов в выдыхаемом воздухе и воздухе,
поступающем в легкие из
окружающего пространства. Блок пробоотбора
207
представляет собой измерительную термостатируемую проточную ячейку для
размещения сенсоров газового анализа и устройство для автоматической
непрерывной подачи в нее микропроб выдыхаемого и вдыхаемого воздуха в
процессе дыхания или проб анализируемого газа. Система управления с помощью
микроконтроллера обеспечивает калибровку, измерение и расчет исследуемых
показателей, контроль работоспособности всех модулей комплекса. Модуль
анализа и прогнозирования физиологических функций предназначен для оценки
параметров внешнего дыхания, физической работоспособности и состояния
физического здоровья по всему комплексу анализируемых параметров.
Основные непрерывно измеряемые показатели: объемная скорость
вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в ходе дыхательных циклов; содержание О2 и
СО2 в газовых смесях, выдыхаемом воздухе и окружающей среде; температура
среды; атмосферное давление.
Основные определяемые комплексные показатели: легочные объемы и
емкости; показатели легочной вентиляции;
интенсивность потребления О2;
интенсивность выделения СО2; дыхательный коэффициент; анаэробный порог;
аэробная емкость; сердечный выброс.
Основные показатели физического здоровья и работоспособности:
мощность, емкость и эффективность аэробного энергообмена.
Основные технические характеристики комплекса:
Измеряемые
параметры
рО2 , мм рт.ст.
содержание О2 , об.%
рСО2 , мм рт.ст.
содержание СО2 , об.%
Wвыд., л/с
Ратм, мм рт.ст.
Т, оС
Диапазон
0 – 800
0 – 100
0 – 100
0 – 13
0 - 16
630 – 800
10 – 45
Предел основной
абсолютной погрешности
+ 0.3
+ 0.05
+ 0.3
+ 0.05
+ 2 (%)
+ 0.5
+ 0.2
В результате проведенных технологических и конструкторских работ создан
лабораторный образец комплекса, в котором все его составные части (3
измерительных модуля, микропроцессорный модуль управления, модуль
компьютерного анализа, блоки непрерывной подачи проб и электрического
питания) функционально объединены в единую программно-аппаратурную
систему. При этом конструктивно и технологически отработаны основные
составные элементы комплекса, позволяющие надежно осуществлять параллельное
определение 8-и показателей (5-и измеряемых и 3-х вычисляемых) с быстродействием
0.1 сек.,
необходимым для одновременного контроля ключевых параметров
респираторной механики и газообмена в ходе каждого дыхательного цикла. При этом
применение новых цифровых технологий обработки регистрируемых сигналов
позволило значительно повысить соотношение сигнал/шум для измерений по каналу
СО2 и повысить точность измерений. Кроме того, новые технологии позволили
избавиться от системы влагопоглощения и упростить такие узлы комплекса, как
система термостатирования и устройство для непрерывного отбора микропроб воздуха,
которые в импортных аналогах усложняют эксплуатацию и повышают ее стоимость.
Одновременно, удалось значительно уменьшить вес и габариты комплекса. Сенсоры
объемной скорости газового потока, парциальных давлений О2 и СО2 являются
легко съемными элементами комплексной измерительной ячейки, оснащенной
системой непрерывного отбора микропроб, что позволяет оперативно и
параллельно измерять содержание разных газов в потоке. Каждый сенсор имеет
208
автоматическую систему термостатирования, что обеспечивает
одинаковые и
постоянные условия по температуре, влажности и скорости доставки пробы.
Все
измерительные
модули
связаны
с
микроконтроллером
многопараметрического модуля управления, который для каждого датчика на
каждом 10 мсек интервале считывает 58 измерений, усредняет результат,
обрабатывает и передает полученную информацию в компьютерный модуль
анализа по USB-каналу. Разработанное программное обеспечение компьютерного
модуля содержит программы и процедуры, с помощью которых осуществляется
контроль работоспособности всех составных частей комплекса, анализ, графическое
отображение определяемых показателей, сохранение результатов в виде файлов.
Медико-технические лабораторные испытания основных характеристик
лабораторного образца комплекса (погрешность, воспроизводимость измерений и
динамические характеристики его модулей) проведены при параллельных
измерениях содержания газов в газовых смесях аналогично условиям исследований
экспериментального образца, согласно разработанной Программе и методике
лабораторных испытаний.
В первых
сериях, посвященных измерениям
содержания О2 и СО2 в стандартных статических калибровочных газовых смесях
показано, что абсолютная погрешность и воспроизводимость измерений для О2 и
СО2 составляет не более +0.2 и +0.2 мм рт.ст., температуры - +0.1 оС и
атмосферного давления - +0.3 мм рт.ст. В следующих сериях испытаний с
применением калибровочного стенда, имитирующего газовые потоки при вдохе и
выдохе человека, показано, что погрешность и воспроизводимость измерений
объемной скорости газового потока в диапазоне 0.2 -10.0 л/сек составляет не более
+1%. При параллельных измерениях содержания О2 и СО2 в потоковых
калибровочных смесях и смесях, имитирующих содержание этих газов в
выдыхаемом воздухе, показано, что абсолютная погрешность и воспроизводимость
показаний составляет для О2 и СО2 не более +0.2 и +0.2 мм рт.ст., соответственно.
Оценка динамических характеристик комплекса при ступенчатых изменениях
состава потоковых смесей показала, что для самого инерционного канала –
измерителя О2 – время отклика для потоковых сред не превышает 0.1 сек., что
удовлетворяет требованиям к измерениям в процессе дыхательного цикла. Таким
образом, показатели качества измерений и быстродействия для всех измерительных
модулей значительно выше установленных в Техническом задании, что
свидетельствует о высоком качестве параллельных измерений и универсальности
разработанного комплекса.
Высокое
быстродействие
и
малая
погрешность
измерений
амперометрического О2 сенсора в стационарных и потоковых средах были
обеспечены в результате реализации ряда оригинальных технических и
технологических решений: миниатюризация катода и конструкции датчика
(диаметр катода до 20 мкм, объем внутреннего электролита до 30 мкл, толщина
мембраны 3-5 мкм, зона чувствительности – 200 мкм); новые конструктивные
решения (соотношение размеров катода, анода и корпусных элементов, сменного
мембранного узла), новые технологии (изготовление катода и анода, встраивание
термодатчика в корпус катода, регистрация в режиме непрерывного отбора
микропроб, «спящий» режим с автоматической регенерацией и активацией датчика,
непосредственная стыковка сенсора с созданным для него электронным
микрочипом, позволяющим с высокой точностью измерять токи в диапазоне 10-12 10-7 А, применение новых материалов (мембрана, состав электролита, герметики
для надежной изоляции составных частей датчика).
Соответствие аналитических характеристик СО2 сенсора, не чувствительного
к парам воды (созданного на основе светоизлучающего диода с иммерсионной
линзой в области 4.26 мкм и фотодиода с высокой чувствительностью в этой
209
области спектра), медико-техническим требованиям было обеспечено реализацией
новой конструкции оптического измерительного канала, оптимизирующей
динамические условия регистрации интенсивности поглощения инфракрасного
излучения в потоковой капиллярной измерительной ячейке, и применением
цифровых технологий обработки регистрируемого сигнала.
Разработан микропроцессорный многопараметрический модуль управления
на основе контроллера. Его достоинства:
USB интерфейс, обеспечивающий
передачу информации в режиме реального времени, быстрый АЦП до 200 тысяч
измерений в секунду; высокоскоростная архитектура самого контролера, до 25
MIPS на 25 МГц, возможное число использования аналоговых входов 17, столько
же
и датчиков,
3-х вольтовое питание, что значительно снижает
энергопотребление и др. С его помощью реализована параллельная регистрация, с
периодом 10 мсек, восьми (5-и измеряемых и 3-х вычисляемых) показателей,
необходимая для одновременного измерения, с быстродействием 0.1 сек, ключевых
параметров респираторной механики и газообмена
в ходе каждого отдельного
дыхательного цикла и последующей передачи информации по USB-интерфейсу в
компьютерный модуль анализа получаемых данных.
Высокая информативность компьютерного модуля была обеспечена
применением программного обеспечения, разработанного в среде мощного, простого в
использовании,
современного
объектно-ориентированного
языка
программирования С#, удобного для решения самого широкого круга задач,
благодаря возможности использования широкой библиотеки .NET Framework. Это
позволило применять продвинутые программные продукты для создания удобного
интерфейса, графического отображения и хранения информации.
Необходимая точность и динамичность определения основных вычисляемых
показателей (интенсивность потребления О2 и выделения СО2) получены благодаря
достигнутому самому высокому на мировом уровне качеству измерений
содержания газов в потоковых средах, быстродействию сенсоров, разработанному
методу синхронизации измерений концентраций газов с динамикой объемной
скорости выдоха и цифровой технологии обработки регистрируемых сигналов.
По своим техническим характеристикам комплекс соответствует лучшим
зарубежным аналогам, а по функциональным и экономическим показателям
превосходит их. Комплекс является ключевым звеном системы тестирования
состояния здоровья у людей разного пола и возраста, испытывающих обычные или
высокие физические нагрузки в нормальных или экстремальных условиях. В таких
комплексах крайне нуждаются практически все больницы, поликлиники, военные,
спортивные, оздоровительные учреждения и школы.
ANALYZER OF THE ENERGETICAL PROCESS IN ORGANISM
DURING PHYSICAL ACTIVITY
Kislyakov Yu.Ya., Kislyakova L.P., Michailov V.M., Polucarov I.A.
Institute for analytical instrumentation RAS, *Institute medical and biological problems RAS,
e-mail: [email protected].
Universal automated system for investigation of the O2 consumption and CO2 excretion is
suggested for detail steady of the aerobic energetical process in organism during physical activity. It
consists of electronics and sensors parts connected with the computer. It can be used as stationary and
mobile device in biological, medical and ecological research.
Работа выполнена при поддержке грантов Программы Президиума РАН «Фундаментальные
науки – медицине» и Федерального агентства РФ по науке и инновациям.
210