הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

יוני 2002

מערכת למדידה לא פולשנית של זרימת האוויר בנחירי האף

תקציר לפרויקט גמר

מנחה: פרופ' דוד אלעד

הכינה: שירלי שפר

רקע אנטומי-פיסיולוגי

בני אדם נושמים דרך האף מאחר ולאף שלושה תפקידים עיקריים – הרחה, סינון האוויר מחלקיקים זרים וחימום ולחלוח האוויר לתנאים אלוואולריים המיועדים לסייע לחילוף הגזים בריאות ולהגן על רקמת הראה. האף מורכב משני חלקים עיקריים – חלל האף הפנימי והאף החיצוני הבולט בפנינו. צורת חלל האף הינה טרפזית כאשר לרוב אורכו קיימת מחיצה המחלקת את החלל לשני חלקים זהים, ימין ושמאל. פתולוגיות שונות גורמות לתפקוד לקוי של האף, ובשל תפקידו החשוב של האף במערכת הנשימה דרושים אבחון וטיפול יעילים. הפרעות לזרימת האוויר באף מאובחנות כיום, לרוב, ע"פ הרגשתו הסובייקטיבית של המתלונן. על מנת לצור מדדים אובייקטיביים לתפקוד הפיסיולוגי של האף דרושה מערכת המאפשרת מדידה בו זמנית של ספיקת האוויר בכל אחד מנחירי האף. קיימות כיום מספר מערכות המאפשרות מדידה לא-פולשנית של ספיקת האוויר דרך נחירי האף, אך לכולן חסרונות (פרק 4). הפתרון שיוצע במסגרת פרויקט זה יאפשר מדידה לא-פולשנית של ספיקת האוויר והטמפרטורה בכל אחד מנחירי האף, תוך ניסיון להתגבר על החסרונות הקיימים כיום.

מטרת הפרויקט

מטרת העבודה הינה תכנון ובניה של מערכת חדשנית למדידה לא פולשנית ובו-זמנית של ספיקת האוויר דרך שני נחירי האף. כמחקר מקדים, יש לבצע פיתוח ומחקר התכנות של מתמר פשוט למדידת ספיקת האוויר. איכות פעולתו של המתמר תיבדק בסימולטור מעבדתי, ולאחר מכן תיבדק יכולתו של המתמר במדידות אצל בני אדם בריאים.

דרישות ממערכת המדידה

דרישות מערכת המדידה החדשה כוללות יכולת מדידה בו זמנית בשני נחירי האף בטווח רחב של ספיקות פיסיולוגיות 0.1 - 2 L/sec, יכולת הבחנה בין שאיפה לנשיפה, זמני תגובה טובים מאחר והנשימה הינה דינמית, נוחות לנבדק ונוחות למפעיל.

תכנון ובנית מתמר למדידת ספיקת אוויר

במהלך החודשים האחרונים נבחנה האפשרות לשימוש בצינורית קשיחה ובמתמר לחץ כאמצעי למדידת ספיקת האוויר העוברת בכל אחד מנחירי האף. שלושת השלבים העיקריים בפרויקט כללו:

1. בחינת התכנות עבור השימוש במתמר לחץ וצינורית מדידה פשוטה ומציאת קונפיגורציה אידאלית עבור המתמר והצינורית (פרק 5).

2. יצירת מתמר ספיקה המכיל את מתמר הלחץ והצינורית הדרושים, וכן מתמרי צמד חומני למדידת טמפרטורה (פרק 5).

3. ביצוע ניסויים באמצעות מתמר הספיקה במודל אף שיוצר במסגרת פרויקט 256 ובבני אדם בריאים (פרק 6).

מערכת הניסוי כללה בוכנה הנשלטת על-ידי תוכנה ומספקת ספיקת אוויר ידועה כרצוננו, צינורית קשיחה דרכה עובר האוויר, מתמר לחץ המחובר לצינורית וכרטיס דגימה המחובר למחשב. בחלקו הראשון של הפרויקט נבחנה השפעת קוטר צינורית המדידה, המרחק בין נקודות מדידת הלחץ וכן צינוריות מסוגים שונים על מדידת הלחץ.

ניסויי ההתכנות שבוצעו עם המדיד החדש למדידת ספיקת אוויר הניבו מספר מסקנות:

1. קיימת אפשרות למדידת ספיקת אוויר נמוכה באמצעות מתמר לחץ.

2. מתמר הלחץ הקיים אינו רגיש מספיק לטווח הספיקות הדרוש.

3. דרוש כי קוטר הצינורית ישמר לאורכה, היינו לא תהיינה מדרגות גאומטריות המפריעות לזרימה.

4. רצוי כי בצינורית המדידה המרחק בין נקודות מדידת הלחץ יהיה גדול ככל האפשר.

5. על מנת לצור הבחנה בין שאיפה ונשיפה מרחק נקודות מדידה הלחץ משני הקצוות (כניסת ויציאת הצינורית) צריך להיות לא סימטרי.

לפיכך הוחלט לרכוש שני מתמרים רגישים יותר, אחד עבור כל צד, מסוג PX2650, מחברת Omega Eng. LTD האמריקאית, וכן לייצר צינוריות במידות מתאימות. עם הגעת מתמרי הלחץ החדשים תוכננה ויוצרה מערכת המדידה הכוללת את שני המתמרים ושני מתמרי צמד חומני למדידת הטמפרטורה של האוויר הננשף והנשאף.

מבט על מערכת המדידה שתוכננה ויוצרה

בשלב זה נבחרה צינורית המדידה אחרי סדרה קצרה של ניסויים מאחר וקוטר הצינורית הרצוי והמרחקים בין נקודות המדידה היו ידועים מחלקו הראשון של הפרויקט. לאחר מכן כוילו הן הצמד החומני והן המתמרים. מתמרי הלחץ כוילו עבור מדידות לחץ על מנת לוודא כי טווח המדידה בו יעשה שימוש אינו חורג מטווח המדידה של המתמרים, וכמובן כוילו עבור ספיקה מאחר וזהו הגודל הנמדד הרצוי. כיול המתמרים לספיקה בוצע תחילה על-ידי כיול דינמי בו נעשה שימוש באותות סינוסואידליים מהבוכנה. האותות הסינוסואידליים תוכנתו בתדר הדומה לתדר הנשימה, ובספיקה מקסימלית משתנה. הכיול הדינמי לא הניב תוצאות רצויות מאחר ובכל ספיקה מקסימלית התקבלו קבועי כיול שונים. לכן נעשה כיול סטטי לפיו הבוכנה סיפקה ספיקה קבועה בטווח שבין -1 L/sec ל-1 L/sec, בקפיצות של 0.1 L/sec. פונקצית הכיול שהותאמה היתה מסוג Arctg.

לאחר כיול כל רכיבי מערכת המדידה הוחל בחקירת המערכת ובבדיקת עמידתה בדרישות הראשוניות. מהניסויים שבוצעו נראה כי המערכת מאפשרת מדידה בטווח הספיקות הרצוי, מאפשרת הבדלה בין שאיפה לנשיפה, בעלת זמני תגובה טובים וכן בעלת הדירות וחסינות להפרעות חשמליות.

ניסויי זרימת אוויר במודל אף ובבני אדם באמצעות מתמר הספיקה

לאחר שהוכחה ההתכנות למדידת ספיקת אוויר מהאף באמצעות מתמר הספיקה, וכן נראה כי מתמר הספיקה עומד בדרישות הראשוניות, הוחל בביצוע ניסויים באמצעות מודל האף שיוצר במסגרת פרויקט 256 ובנבדקים. מטרות הניסויים הן :

1. בחינת תפקוד המודל ומערכת הניסוי בניסויים.

2. בדיקת השפעת האף החיצוני על הזרימה.

3. בדיקת השפעת הטורבינות על הזרימה.

4. בחינת אמינות מתמר הספיקה מול מערכת הרהינומטר האקוסטי המאפשרת מדידת אנטומיה רגעית של האף.

5. השוואת המדידות המתקבלות במתמר הספיקה עבור בני אדם לערכים הקיימים בספרות.

מודל אף

עבור הניסויים שבוצעו במודל האף מערך הניסוי כולל בוכנה בעלת ספיקה נשלטת, מודל האף, צינוריות מדידה ומערכת המדידה.

צינורית מדידה

מערכת מדידה

בוכנה

מבט על מערך הניסוי עבור מודל האף

פרוטוקול הניסוי עבור מודל אף החיצוני:

עבור כל אחד מסוגי האף החיצוני התבצעה בדיקה לתגובה לאותות סינוסואידליים בארבע ספיקות מקסימליות שונות.

פרוטוקול הניסוי עבור מודל אף הפנימי:

ביצוע ניסויים בשתי ספיקות סינוסואידליות מקסימליות כאשר כל הטורבינות נמצאות, כאשר הטורבינה העליונה הימנית מוסרת, כאשר הטורבינה התחתונה הימנית מוסרת, כאשר שתי הטורבינות הימניות מוסרות. ביצוע ניסויים בארבע ספיקות סינוסואידליות מקסימליות כאשר שתי הטורבינות הימניות מוסרות, ובצד שמאל קיימת חסימה של 70% משטח מעבר האוויר. הטורבינות הן עצמות הקיימות בחלל האף הפנימי וגורמות להצרות מעברי האוויר.

פרוטוקול ניסוי עבור בני אדם בריאים:

הנבדק התבקש לשבת כאשר גבו זקוף וידיו אוחזות במערכת הניסוי. לאחר מכן הנבדק התבקש לנשום במשך כחצי דקה נשימה שקטה, לאחר מכן במשך כחצי דקה בנשימה יותר עמוקה ולבסוף למשך כחצי דקה בנשימה עמוקה מאוד. לאחר כשתי דקות מנוחה התבצעה הבדיקה פעם נוספת. מיד לאחר הבדיקה התבצעה בדיקת רהינומטריה המיועדת לאמת את בדיקת המערכת מאחר ובנחיר הפתוח יותר ע"פ הרהינומטר אמורות להתקבל ע"פ מערכת המדידה ספיקות גבוהות יותר.

מסקנות מהניסויים עבור מודל האף:

1. מהניסויים שבוצעו נראה כי שימוש במערכת מדידה מהסוג הנוכחי בעייתי עם אף חיצוני כפי שיוצר.

2. נראה כי הסרת הטורבינות אינה משפיעה על תוצאות המדידה.

3. חסימה משמעותית של שטח החתך משפיעה על תוצאות המדידה כצפוי.

מסקנות מהניסויים עבור בני אדם בריאים:

1. מערכת המדידה מספקת את הרגישות הדרושה מאחר ובכלל הנבדקים (9 נבדקים) נראו ערכים גם עבור הנשימה השקטה.

2. ברב המקרים תוצאות מערכת המדידה תואמות את תוצאות בדיקת הרהינומטריה.

3. הערכים שחושבו באמצעות תוכניתMatlab עבור משך הנשימה, נפח הנשיפה, ממוצע ומקסימום הספיקה ועוד תואמים את הערכים בספרות.

נשימה

עמוקה ביותר

נשימה עמוקה

נשימה שקטה

שאיפה

נשיפה

תוצאות בדיקת בני-אדם. העקומה הכחולה מתארת את צד שמאל והאדומה את צד ימין. בגרף העליון מוצגת טמפרטורה ובתחתון ספיקה.

כמו כן תוכנן בתיכון ראשוני התקן המאפשר התאמה נוחה בין הנבדקים לבין מערכת המדידה. להתקן זה מספר עקרונות – 1. נוחות לנבדק על מנת שלא לגרום לשינויים באופי הנשימה. 2. אחיזת ההתקן בפה על מנת למנוע את פתיחתו במהלך כל הבדיקה. 3. הפרדה מוחלטת בין צד ימין ושמאל. 4. כוון ההתקן בשני מישורים לפחות על מנת לאפשר התאמה טובה בין אף הנבדק לבין צינוריות המדידה.

מסקנות:

כפי שהוכח במהלך הפרויקט ניתן לעשות שימוש במתמר לחץ על מנת למדוד ספיקת אויר בשאיפה ובנשיפה בשני הנחיריים בו-זמנית. מערכת מסוג זה לא קיימת כיום ולכן מערכת זו חדשנית ופותחת פתח להמשך מחקר עתידי. כללית מערכת המדידה שיוצרה עומדת בדרישות הראשוניות כפי שפורטו בתוכנית העבודה על אף שבמהלך הפרויקט חל עיכוב של כחודש ימים בשל רכישת המתמרים מחו"ל. יש עדיין לחקור את ביצועי המערכת לעומק הן מבחינת התאמת כיול טובה יותר והן מבחינת הכרת תגובותיה במצבים שונים. כמו כן ניתן לשפר את מערכת המדידה על-ידי הוספת מדידי לחות ויצירת ההתקן לאחיזת המערכת.

ברצוני להודות לפרופ' דוד אלעד על ההנחיה בביצוע פרויקט זה, לד"ר אורי זרצקי על הסיוע הרב הן מבחינה הנדסית והן מבחינה טכנית ולעובדי המחסן ובית המלאכה שעשו מעל ומעבר על מנת לסייע לי לעמוד בלוח הזמנים של הפרויקט.