Результат интеллектуальной деятельности: Способ контроля физиологических параметров дыхательной системы водолазов

Изобретение относится к медицине, в частности к оценке состояния органов дыхания, и может быть использовано для контроля физиологического состояния пловцов с подводным аппаратом открытого цикла.

Контроль за физиологическим состоянием водолаза в море ведется по параметрам основных систем организма человека, таких как нервная, сердечно-сосудистая, дыхательная. В ряде случаев выбирают несколько характерных параметров, определяющих состояние объекта в целом.

Известно, что водолазная деятельность связана с воздействием на респираторную систему комплекса неблагоприятных факторов, в частности увеличенного парциального давления кислорода, что ведет к кислородной интоксикации. Хотя для водолазов разработаны стандарты использования газовых сред для дыхания, проблема оценки состояния легочной функции водолаза во время работы все еще остается актуальной, поскольку чувствительность к токсическим эффектам кислорода варьируется не только между субъектами, но и у одного и того же субъекта в разные периоды времени и уровня здоровья организма.

В обычных условиях дыхание, как известно, осуществляется рефлекторно, обеспечивая необходимое содержание кислорода и двуокиси углерода в организме человека. Однако повышенные уровни парциального давления кислорода, двуокиси углерода и азота при подводном погружении, учитывая глубину погружения, уровень физической нагрузки, наличие задержек дыхания и изменение плотности вдыхаемого газа требуют сознательного контроля над дыханием. Потеря контроля над дыханием может стать причиной панических состояний или потери сознания под водой, поэтому контроль за дыхательной системой по таким физиологическим параметрам водолаза как ритм дыхания, вариабельность, продолжительность фаз вдоха и выдоха является необходимой составляющей, обеспечивающей безопасность человека при его нахождении под водой.

Известно, что ритм дыхания является показателем двигательной активности водолаза, за которым во время работы водолаза следит обеспечивающий персонал (В.В. Смолин, Г.М. Соколов, Б.Н. Павлов. Водолазные спуски и их медицинское обеспечение. 2001, стр. 266).

Известно также, что в условиях патологии особую диагностическую ценность приобретает значительное удлинение одной из фаз дыхания. Например, удлинение фазы вдоха происходит при возникновении препятствия в верхних отделах дыхательных путей (отек гортани, ларингоспазм, сдавливание трахеи). Вдох становится шумным и продолжительным. Значительное удлинение выдоха на фоне редкого дыхания характерно для сужения просвета мелких бронхов (Врачебные методы диагностики: учеб. пособие. - Кукес В.Г., Маринин В.Ф., Реуцкий И.А., Сивков С.И., 2006. Стр. 300).

Показатель отношения продолжительности вдоха (I) к выходу (Е) на воздухе известен и лежит в пределах от 1.2 до 1.5, но для водолазов под водой численных значений этих параметров не обнаружено, вероятно, из-за относительной сложности их определения. Во время тренировок водолазу может быть дана команда делать вдох в два-три раза короче выдоха, но проконтролировать правильное выполнение данной команды под водой может только сам водолаз. При наличии связи персонал на слух может и, как правило, контролирует частоту дыхания водолаза по шумам дыхания [В.В. Смолин, Г.М. Соколов, Б.Н. Павлов. Водолазные спуски и их медицинское обеспечение. 2001, стр. 266], давая команды обратить внимание на ритм и продолжительность фаз дыхания. Самостоятельный контроль за фазами дыхания, который водолазу предлагается делать при отсутствии связи с обеспечивающим персоналом, требует от пловца большого внимания и не всегда возможен (Тюрин В.И. Внимание, глубина. Изд-во ДОСААФ, 1974, стр. 26).

Известен способ определения длительностей фаз дыхания с использованием датчиков давления и/или потока, которые встраиваются в дыхательные трубки аппарата искусственной вентиляции легких, однако размещение таких датчиков в подводном дыхательном аппарате будет являться вмешательством в конструкцию с нарушением целостности трактов дыхательного аппарата (п. США №9186070 В2).

Известны способы регистрации ритма дыхания водолаза под водой с использованием одиночного гидрофона.

Например, показана возможность регистрации шумов вдоха пловца в подводном аппарате открытого цикла в нагруженном порту Готтенбург (Lennartsson R.K., Dalberg Е., Persson L. Passive acoustic detection and classification of divers in harbor environments // OCEANS, 2009, p. 1-7). Шумы вдоха устойчиво обнаруживаются за 25 м до приближения к гидрофону и после 5 м удаления от гидрофона. Для их выделения использовался следующий алгоритм:

Шаг 1: записанный с гидрофона сигнал фильтруют в полосе от 30 до 35 кГц для улучшения отношения сигнал/шум.

Шаг 2: после преобразования Гильберта и взятия абсолютного значения получают огибающую сигнала.

Шаг 3: строят спектр огибающей с помощью преобразования Фурье.

Шаг 4: определяют энергию спектра в полосе частот дыхания водолаза от 0,3 до 0,7 Гц с помощью интегрирования. По значению энергии спектра огибающей в полосе принимается гипотеза о наличии водолаза около гидрофона.

Описан способ регистрации шумов пловцов с аппаратом открытого цикла в полосе частот от 35 до 80 кГц (Lo K.W., Ferguson B.G. Diver detection and localization using passive sonar // Australian Acoustical Society Conference 2012, Acoustics 2012: Acoustics, Development, and the Environment, p. 489-496). Сообщается, что шумы эти соответствуют вдохам. Для надежного выделения ритма дыхания авторы используют два алгоритма: DEMON (Detection of Envelope Modulation on Noise, выделение модуляций из шума) и циклостационарная обработка (cyclostationary technique), которые показали схожие результаты. Из чего авторы делают вывод о достоверности определения ритма дыхания водолаза по вдохам. В качестве примера представлен график зависимости ритма дыхания пловца от времени.

Однако в обоих приведенных способах по высокочастотному сигналу первой ступени водолазного аппарата при вдохе определялся только дыхательный ритм, и способы не позволяют регистрировать и выделять шумы выдоха, то есть оценить продолжительность фазы выдоха и, соответственно, получить зависимость соотношения продолжительностей фаз дыхания.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения ритма дыхания пловца с водолазным аппаратом по выдоху (Коренбаум В.И., Горовой С.В., Бородин А.Е., Тагильцев А.А., Костив А.Е., Ширяев А.Д., Василистов A.M., Почекутова И.А. Экспериментальные исследования возможности обнаружения дыхательных шумов легководолазов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2015, т. 8, №4. С. 67-71). Способ включает регистрацию размещенными на дне гидрофонами гидроакустического шума, соответствующего шумам пловца, проведение спектрального анализа записанных шумов, выделение квазипериодических составляющих дыхательных шумов пловца и определение по ним среднего ритма дыхания, а также принятие решения о необходимости прекращения погружения либо при снижении ритма дыхания, что происходит при отравлении кислородом либо при увеличении ритма при отравлении углекислым газом и чрезмерных физических нагрузках.

В прототипе рассматриваются шумы водолаза в низкочастотной области спектра, соответствующие преимущественно шумам выдоха для водолазов с аппаратами открытого цикла. Способ позволяет определить среднее значение ритма дыхания в интервале единицы минут, но не позволяет оценить шумы вдоха и, соответственно, получить зависимость соотношения продолжительностей фаз дыхания.

Таким образом, все известные способы позволяют следить только за ритмом дыхания, но не позволяют определить численные значения продолжительности фаз вдоха и выдоха, а также объективно оценивать соотношения этих фаз.

Техническая проблема - объективный контроль состояния водолаза под водой по данным дыхания.

Технический результат - определение продолжительностей фаз вдоха и выдоха в каждом цикле дыхания в каждый момент времени пребывания водолаза под водой.

Поставленная задача решается способом определения продолжительностей фаз дыхания у водолаза с подводным аппаратом открытого цикла, при котором регистрируют шумы дыхания водолаза, осуществляют раздельную фильтрацию зарегистрированного шумового сигнала в полосе частот свыше 1 кГц для выделения шумов вдоха и в полосе частот до 500 Гц для выделения шумов выдоха, проводят детектирование выделенных фильтрованных сигналов, сглаживают огибающую каждого детектированного сигнала, выделяют фазы дыхания по превышению уровня огибающей над фоном и определяют их продолжительности по величине интервала между начальным и конечным моментом времени вдоха или выдоха.

Ритм дыхания определяется по интервалам между окончаниями вдохов или выдохов.

Способ основывается на том, что основным источником шума при вдохе являются колебания давления турбулентного потока преимущественно в первой ступени (регулятор высокого давления) подводного аппарата. Процесс выдоха сопровождается шумом создаваемых выдохом пузырьков. После выдоха следует кратковременная пауза, которая скрывается шумом всплывающих пузырьков. Таким образом полоса частот, позволяющая обеспечить максимальное отношение сигнал/шум при вдохе, зависит от модели регулятора и может варьироваться в широких приделах, но она всегда выше 1 кГц, а при выдохе полоса частот не зависит от модели регулятора и всегда ниже 500 Гц. Это заключение экспериментально подтверждается проведенными измерениями, так для регулятора Titan LX (AquaLung, Франция) шумы вдоха регистрируются наилучшим образом в полосе частот 10-11 кГц, для регулятора mr12 III (Mares, Италия) в полосе частот 1-3,5 кГц, тогда как шумы выдоха - в полосе частот до 500 Гц. Способ позволяет, не нарушая целостности трактов дыхательного аппарата, измерить под водой и соотношение продолжительностей фаз вдоха и выдоха водолазов и ритм дыхания, которые могут быть использованы для мониторинга состояния водолаза во время пребывания под водой, в том числе принятия решения о прекращении водолазных работ. Преимуществом является также то, что заявляемый способ может быть аппаратно реализован как дополнительная функция в декомпрессионном компьютере подводного пловца.

На Фиг. 1 представлена блок-схема реализации заявляемого способа, где А - входной сигнал, В - канал обработки шумов вдоха, С - канал обработки шумов выдоха, 1 - фильтр высоких частот, 2 - фильтр низких частот, 3 - детекторы, 4 - сглаживание сигналов; 5 - выделение вдоха, 6 - выделение выдоха, 7 - вычисление ритма дыхания (ВРМ) и соотношения (I:Е) продолжительностей вдоха и выдоха.

На Фиг. 2 представлены осциллограммы шумов при дыхании водолаза под водой: Канал А - шумы дыхания водолаза, Канал В - шумы при вдохе, Канал С - шумы при выдохе. По оси ординат - амплитуда, условные единицы, по абсцисс - время, с.

На Фиг. 3 - огибающая шумов вдоха (Канал В) и выдоха (Канал С). Пунктирные линии показывают соответственно начало и окончание вдоха (8-9), а (10-11) выдоха. По оси ординат - амплитуда, условные единицы, по абсцисс - время, с.

Способ осуществляют следующим образом.

Регистрируют шумы (Фиг. 1, 2, канал А) дыхания водолаза, при этом регистрирующее 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. Производят раздельную фильтрацию зарегистрированного шумового сигнала в полосе частот свыше 1 кГц для выделения шумов вдоха (Фиг. 1, блок 1; Фиг. 2, канал В) и в полосе частот до 500 Гц для выделения шумов выдоха (Фиг. 1, блок 2; Фиг. 2, канал С). Для каждого из фильтрованных сигналов производят построение огибающей, для чего каждый сигнал детектируют (Фиг. 1, блок 3), затем сглаживают (Фиг. 1, блок 4; Фиг. 3, канал В и С) с использованием любого из известных приемов, сравнивают уровень огибающей с фоном, и определяют длительность соответствующей фазы дыхания (Фиг. 1, блок 7) по интервалу между начальным (Фиг. 3, пунктир 8, 10) и конечным (Фиг. 3, пунктир 9, 11) моментом времени превышения уровня огибающей над фоном (Фиг. 1, блоки 5, 6). Ритм дыхания определяют по интервалам между окончаниями вдохов или выдохов (Фиг. 1, блок 7).

Способ был экспериментально проверен при погружении водолаза, снабженного дыхательным аппаратом на основе регулятора Titan LX (AquaLung, Франция) с открытым циклом дыхания на сжатом воздухе и мокрого/сухого водолазного костюма.

Регистрация шумов дыхания проводилась с помощью диктофона марки H1 (ZOOM Corporation, Япония). Запись сохранялась в формате WAV в импульсно-кодовой модуляции без сжатия, разрядность квантования 24 бита, частота дискретизации 48 кГц. Низкочастотная фильтрация и автоматическое регулирование усиления отключены. Запись велась на карту памяти microSDHCcard 32 Гб. В качестве чувствительного элемента использовался встроенный микрофон. Используемый диктофон оборудован входным регулируемым усилителем 0-39 дБ. Величина коэффициента усиления подбиралась перед каждым погружением. Объем диктофона 185 см³, плотность ~0,5 г/см³ - положительная плавучесть.

Диктофон помещался в герметичную эластичную трехслойную оболочку из латекса, толщина каждого слоя 0,06-0,08 мм. Диктофон в оболочке размещался в районе яремной ямки и прижимался к телу водолаза костюмом. Материал водолазного костюма - пористый синтетический каучук толщиной 5 мм, покрытый нейлоном. Костюм отделяет оболочку диктофона от внешней среды. При этом воздухозаполненная латексная оболочка выполняет роль трансформатора колебаний волн, бегущих как из внешней среды, так и изнутри грудной клетки. Колебания оболочки передаются на чувствительный элемент - микрофон диктофона через воздушное пространство внутри оболочки.

После завершения погружения запись с диктофона переносилась в память персонального компьютера и обрабатывалась программой LabChart 6 (ADInstruments, Австралия).

Проведена запись дыхательных шумов при погружении водолазов на глубины 5-8 метров. Время погружения до 30 мин.

Показанные на Фиг. 2 шумы записаны при дыхании нормально чувствовавшего себя водолаза (канал А, слева на право: выдох, вдох, выдох, вдох). Уровень сигнала выдоха больше вдоха. Выдох начинается с хорошо различимой паузы после вдоха. В записи присутствуют кратковременные, широкополосные шумы артефактов ударного происхождения. Выбор оптимальной полосы фильтрации позволяет уменьшить амплитудное значение артефактов и упростить последующее автоматическое определение границ фаз дыхания. Последующее детектирование инструментом Arithmetic программы LabChart и сглаживание (Smoothing программы LabChart) сигналов (Фиг. 3, канал В для вдоха и канал С для выдоха) позволяет определять начало (Фиг. 3, пунктир 8, 10) и окончание (Фиг. 3, пунктир 9, 11) фаз дыхания (PeakAnalysis программы LabChart) и соответственно продолжительность вдоха и выдоха водолаза.

Так, для нормально чувствовавшего себя водолаза соотношение фаз вдоха и выдоха оказалось равным 1:2.5, а дыхательный интервал 5.8 с, что соответствует 10.3 дыхательных движений в минуту.

Были также оценены характеристики шумов дыхания водолаза, у которого возникли проблемы с оборудованием и он запросил эвакуацию из воды. Перед эвакуацией дыхательный ритм составил 18 дыхательных движений в минуту, соотношение фаз дыхания 1:1.3, что существенно отличается от параметров дыхания нормально чувствовавшего себя водолаза.

Таким образом, за счет раздельной фильтрации зарегистрированных шумов водолаза с подводным аппаратом открытого цикла в полосе частот свыше 1 кГц для выделения шумов вдоха и в полосе частот до 500 Гц для выделения шумов выдоха и детектирования каждого фильтрованного сигнала достигается технический результат - определение как продолжительностей вдоха и выдоха в каждом цикле дыхания, так и ритма дыхания, и решается техническая проблема объективного контроля состояния водолаза под водой по шумам дыхания, в том числе принятия решения о прекращении миссии.