spirometri.se

Flödesgivare
2009-04-18 22:55

Flödet är ju volymsförändring per tidsenhet (till exempel liter per sekund, L/s). Detta är centralt när det gäller dynamisk spirometri. Det finns många olika sätt att mäta gasflöde. I den här texten redovisas och förklaras de olika tekniska lösningar som är aktuella för flödesmätning i spirometri-utrustningar.

 

I tidernas begynnelse...

För fullständighetens skull börjar med ren volymsmätning med någon typ av bälg eler klocka (se vidare under spirometertyper), där volymsförändringan registrerades över tid och genererade i princip samma sak som den exempelkurva med statiska lungvolymer som presenterats under "statiska lungvolymer". Från denna kan man ju med hjälp av en linjal räkna ut lutningen på kurvan i varje givet avsnitt och denna lutning är alltså samma sak som flödet. Under en övergångsperiod fanns elektroniska volymsmätare som angav volymen per tidsenhet - allstå flödet.

 

Tryckdifferensmätning

Det här har också kallats pneumotachygraf eller Fleisch-huvud. Detta är en konstruktion som introducerar ett litet motstånd i flödet. Luftströmmen går i någon typ av rör och passerar detta motstånd som oftast är ett antal smala kanaler eller ett (eller flera) nät. Om luften skall strömma förbi detta motstånd så måste ju lufttrycket vara högre "uppströms" än vad det är "nedströms". Konstruktionen optimeras för att det skall uppkomma så lite virvelbildningar (turbulens) som möjligt och i och med detta är tryckskillnaden (trycket uppströms minus nedströms) proportionellt mot flödet (dvs om tryckskillnaden tex fördubblas så fördubblas även flödet). Detta gäller dock bara upp till den gräns där turbulens börjar uppträda och därför finns dessa givare i flera storlekar från sådana som passar andningen för en mus, upp till maximala utandningar hos vuxna. Tryckskillnaden i dessa mätare blir som mest ungefär 1 cmH2O, för alla storlekar. Om du suger upp vatten från ett glas med sugrör så att det stiger 1 cm ovanför vattenytan i glaset så har du skapat ett tryck i munnen som är 1 cmH2O lägre än i rummet.

Fig 1. P=tryck, F=flöde. För att luften skall strömma åt höger behöver det vara högre tryck vid P1 än vid P2. Denna tryckskillnad är det som mäts och behandlas i systemet. Flödet är proportionellt mot tryckskillnaden så länge luftströmmen är laminär. Över ett visst tröskelvärde uppstår turbulens, vilket ger ett ökat motstånd och gör att flödet inte längre ökar i samma utsträckning trots att trycket ökar.

Man kan alltså mäta flödet direkt så - med vatten och en bit genomskinlig slang och en linjal. Men i en spirometer vill vi ha en elektrisk signal. Flödet har alltså redan omvandlats till en tryckskillnad och denna tryckskillnad tas sedan om hand av en omvandlare (som vi brukar kalla det engelska ordet transducer) som gör om tryckvariationerna till spänningsvariationer. Förr analyserades dessa, men nuförtiden gör man först om dem till en digital signal med hjälp av en analog digital-omvandlare (A/D-omvandlare) för att de skall kunna tas omhand av en processor. Denna är antingen en vanlig dator, eller sitter i själva apparaten där resultatet presenteras på en display.

Tryck  I och med att dessa processorer alltid har en inbyggd klocka så kan de hålla rätt på flödet i varje ögonblick. Om procesorn då mäter flödet t.ex. 100 gånger per sekund (alltså samplingsfrekvens 100Hz) och lägger ihop dessa mätningar så vet processorn hur stor volym som passerat sensorn under den sekunden. Det är just på grund av detta som flödsmätarna normalt inte kalibreras med ett känt flöde, utan med en känd volym (kalibreringsspruta). Denna kalibreringsrincip gäller för alla spirometrar.

 

Turbiner

En turbin är enligt Wikipedia en roterande maskin som fångar upp energin i en strömmande vätska eller gas. Man kan enkelt beskriva det som en propeller i ett rör. Det brukar vara vanligt att det finns ett slags galler före själva propellern som gör att luften fördelas jämt över propellern och sätts i rotation före den når propellern, som förstås roterar snabbare ju fortare luften strömmar. En finess med turbinerna är att signalen (hur snabbt propellern snurrar) kan göras digital direkt: Om en ljuskälla och en ljussensor sätts så att propellerbladet roterat emellan dem så kommer ljussensorn att uppfatta ett blinkande ljus och ju fortare det blinkar desto högre är luftflödet. Något behov av en A/D-omvandlare som för tryckdifferens-mätare finns inte och konstruktionen blir relativt billig.

Fig 2. Lysdioden och fotocellen sitter lite vid sidan av axeln och "ser" varandra när propellern inte ligger på tvären framför. Detta ger upphov till en ljuspuls som i princip är en fyrkanstvåg med samma frekvens som propellerrotationerna. Pulserna konverteras till spänning med samma utseende som behandlas vidare.

En nackdel med dessa sensorer är att propellern måste vara mycket lätt (och konstruktionen blir därför lite ömtålig) eftersom propellern måste stanna snabbt när flödet sjunker till noll. Dessa flödesgivare har alltså principiellt sin Akilles-häl i de låga flödesregistren, men är nuförtiden så pass bra att detta inte är något stort problem.  Denna typ av sensor är vanligast i mindre handhållna och desktop-spirometrar.

 

Varmtrådsgivare 

Denna princip går ut på att gas som strömmar har en avkylande effekt, som är större vid höga flöden. Bränner vi oss på finret så andas vi ju inte lite försiktigt utan blåser ordentligt. Givaren är alltså helt enkelt en varm tråd på tvären i ett rör. Tråden värmas upp genom att man skickar en elktrisk ström genom den och avkylningen mäts genom att resistensen i tråden minskar när temperaturen sjunker. Högre flöde ger alltså lägre resistens. Variationerna i den elektriksa signalen kan ju (efter lite förstärkning och så) avläsas direkt, med omvandlas nuförtiden alltid till en digital signal i en dator som ger oss flödet. Principen kombineras oftast med ytterligare en tråd som mäter luftens temperatur och kompenserar för detta. Givaren är vanlig i större stationära lungfunktionsutrustningar.

Fig3. Resistensen hos de två trådarna mäts. Den första mäter temperaturen i luften och den andra, som är varmare, mäter flödet genom att den kyls av mer (och då får lägre resistens) vid högre flöden.

En nackdel med principen är att trådarna inte kan kan vara tjocka - då skulle det ju ta ett tag innan de kyldes av - så de görs tunna och blir därför omtåliga. En annan nackdel är att de är direkt beroende av elektronik för att kunna mäta något - till skillnad från en tryckdifferensgivare som faktiskt kan användas och kontrolleras helt utan elektricitet.

 

Strain gauge

Denna mätprincip går ut på att en metall som tänjs ut av en kraft i en riktining blir smalare vinkelrätt mot dragriktningen. Enklare uttryckt: drar man i ändarna av ett gummiband så blir det smalare på mitten. En metall leder ström bättre om tvärsnittsytan är stor, precis som en grövre slang leder vatten lättare än en tunn.

Fig 4. Det röda metallskiktet tänjs ut av luftströmmen och blir tunnare, varvid resistensen ökar.

Den enda spirometern författaren känner till av detta slag är den lilla spirometern Piko. Den är endast godkänd för att användas till en enskild patient och skall mer betraktas som en ersättare till äldre mekaniska PEF-mätare än som ett mätinstrument på en mottagning.