كانت مقاييس التنفس التوربينية موجودة بشكل أو بآخر لأكثر من مائة عام. كانت دقة الإصدارات المبكرة من هذا النوع من مقياس التنفس ضعيفة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن تصميمات التوربينات لم تكن فعالة بشكل رهيب وجزئيًا لأن هذه الأجهزة كانت ميكانيكية بطبيعتها وأن قطارات التروس أو الروابط الميكانيكية الأخرى أضافت الكثير من الاحتكاك والمقاومة.

من: Nouveaux éléments de pathologie générale، de séméiologie et de Diagnostic. بقلم يوجين بوشوت ، 1875 ، الصفحة 865.]

كان أول مقياس التنفس التوربيني الإلكتروني هو Marion Labs Spirostat الذي تم طرحه في السوق في أوائل السبعينيات. لقد استخدمت توربينًا على الخط يمكن التخلص منه حيث كانت ريش التوربينات مباشرة في تيار التدفق الشهيق والزفير وتدور وفقًا لذلك. كان هناك التقاط بصري (شعاع ضوئي يمر عبر ثقب في التوربين) وتم تحويل الدورات إلى أحجام شهيق وزفير. كانت الممرات عبر مستشعر التوربينات في Spirostat ضيقة جدًا وكانت مقاومة التدفق عالية. كان للتوربين أيضًا كمية لا بأس بها من الكتلة ، وكان بطيئًا بشكل ملحوظ لبدء الحركة وبطيئًا في التوقف ولم يكن ليفي بمعايير ATS / ERS الحالية.

مستشعر التنفس مستمد من براءة الاختراع الأمريكية رقم 3680378

خلال أوائل الثمانينيات من القرن الماضي ، تم تطوير مقياس التنفس التوربيني وتسويقه والذي يستخدم الصفائح الطرفية الدوامة أو المنحرفة (ما يعادل شفرات المروحة الثابتة) لإحداث تدفق الهواء للدوران حلزونيًا عبر جسم المستشعر.

يؤدي تدفق الهواء هذا بدوره إلى تدوير ريشة مسطحة مثبتة رأسياً في تيار الهواء. يقوم زوج من المستشعرات الضوئية أو مستشعرات تأثير هول بحساب الدورات وتمكين اتجاه التدفق ليتم اكتشافه. هذا هو الأساس لمعظم مقاييس التنفس التوربينية الحالية.

من www.spirometers.org/measure.php

تكون مستشعرات التوربينات الدوارة ذات الحجم الرئيسي في المقام الأول. هذا يعني أنه عبر نطاق واسع نسبيًا من معدلات التدفق ، يرتبط كل دوران للريشة بشكل مباشر بحجم الغاز المتدفق عبر المستشعر. ومع ذلك ، فإن الضغط التفاضلي لتدفق الغاز الحلزوني هو الذي يتسبب في دوران الريشة. العوامل التي تؤثر على دقة وحساسية أي مستشعر توربيني هي القصور الذاتي والاحتكاك ومنطقة الريشة ومدى فعالية الألواح الطرفية للعاكس / الدوامة في تحويل زخم الغاز الخطي إلى زخم زاوي.

إن المخاوف التي سمعتها في أغلب الأحيان حول مقاييس التنفس التوربينية هي دقتها عند معدلات التدفق المنخفضة ومدى استجابتها للتغيرات السريعة في معدلات التدفق.

لمجموعة متنوعة من الأسباب ، من المتوقع أن تكون أجهزة قياس التنفس التوربينية أقل حساسية لمعدلات التدفق المنخفضة. تنص مواصفات ATS / ERS على قياس التنفس على أن مؤشر نهاية الاختبار هو معدل تدفق أقل من 0.025 لتر / ثانية. لا يتم عادةً تفصيل القدرة على تلبية هذه المواصفات لأي مقياس تنفس بغض النظر عن تقنية القياس التي يستخدمها ، لذلك يصعب تحديد ما إذا كانت مقاييس التنفس التوربينية أسوأ (أو أفضل) في قياس معدل التدفق هذا المنخفض. سألاحظ أن المواصفات الموجودة في الكتيبات الإعلانية للعديد من مقاييس التنفس التوربينية تشير إلى دقة تدفق أعلى بكثير من هذه القيمة (على سبيل المثال +/- 200 مل / ثانية) وأن بعض أجهزة قياس التنفس التوربينية الأرخص لا تدعي أنها تقيس FVC ، ولكن FEV6 بدلاً من ذلك (أو في بعض الحالات فقط FEV1 و PEF). تم التحقق من ذلك إلى حد ما من خلال إحدى الدراسات التي أشارت إلى أن مقياس التنفس التوربيني قلل بشكل كبير من تقدير الحجم بمعدلات تدفق منخفضة (<0.5 لتر / ثانية). من ناحية أخرى ، يبدو أن مقارنة أخرى بين مقاييس التدفق الدقيقة وجهاز استشعار التوربينات تظهر تباينات أكبر في معدلات التدفق الأعلى مقارنة بالمعدلات المنخفضة ، لذا فإن هذا ليس واضحًا تمامًا كما ينبغي.

من Chowienczyk وآخرون ، الصفحة 16.

كانت هناك العديد من دراسات المقارنة بين التوربينات ومقاييس التنفس التقليدية. على الرغم من أن غالبية هذه الدراسات أظهرت أن مقاييس التنفس التوربينية تفي بإرشادات ATS / ERS ، إلا أنها أظهرت أيضًا أن السعة الحيوية القسرية تميل إلى التقليل من شأنها إلى حد ما وأن نسبة FEV1 / FVC تميل إلى المبالغة قليلاً في تقديرها. يبدو أن هذا يمثل مشكلة خاصة بمقاييس التنفس التوربينية حيث تم عرض نتائج مماثلة عبر ست دراسات لثلاث علامات تجارية مختلفة على الأقل من أجهزة قياس التنفس التوربينية. لقد تم اقتراح أن عدم الحساسية لمعدلات التدفق المنخفضة قد يتسبب في قيام أجهزة قياس التنفس بإنهاء جهود قياس التنفس في وقت مبكر وبالتالي التقليل من قيمة FVC ولكن نظرًا لعدم تتبع أي من الدراسات المقارنة أوقات الزفير ، فهذه مجرد تكهنات.

أشارت دراسة مبكرة لمقياس تدفق التوربينات بواسطة Yeh et al إلى وجود قصور ذاتي كبير تسبب في تأثيرات "التأخر قبل البدء" و "الدوران بعد التوقف".

من Yeh et al ، الصفحة 1293

شكلت هذه النتيجة أساسًا للعديد من الانتقادات لمقاييس التنفس التوربينية ولكن صلاحيتها مفتوحة للتساؤل ، خاصة وأن الدراسة لم تصف طريقة تشغيل مقياس تدفق التوربينات. في وقت الدراسة ، كان هناك العديد من تصميمات التوربينات المختلفة التي تضمنت كلاً من أنواع اللوح الطرفي والانحراف والريشة. تتميز الريشة المستخدمة في معظم مقاييس التنفس في التوربينات الحالية بكتلة منخفضة جدًا ومساحة سطح كبيرة نسبيًا مما يعني أنها من المحتمل أن تستجيب بسرعة لأي تغييرات في معدل التدفق. لا تعني السرعة اللحظية ، وعلى الرغم من أنها قد تكون صغيرة ، فإن جميع التوربينات بها بعض التأخير ولكن من غير المحتمل أن تكون قريبة من الدرجة المذكورة في دراسة Yeh et al.

إحدى النقاط المثيرة للاهتمام هي أن معظم مقاييس التنفس في التوربينات تنتج "نبضة" واحدة لكل نصف دورة وأن كل دورة مرتبطة بحجم معين من الغاز. في معدلات التدفق العالية ، يكون معدل تعداد النبضات مرتفعًا أيضًا أشار أحد المصنّعين إلى أن أجهزتهم تحتوي على 144 نبضة لكل لتر (والتي تصل إلى 6.9 مل / نبضة). توصية ATS / ERS الحالية هي أن أجهزة قياس التنفس يجب أن يكون لها معدل أخذ عينات من 100 هرتز. حتى في معدلات التدفق المتواضعة (> 0.69 لتر / ثانية) ، يكون عدد النبضات / ثانية أعلى من 100 هرتز ، ولكن عند معدلات التدفق المنخفضة ينخفض ​​معدل عدد النبضات إلى أقل من 100 هرتز. في معدلات التدفق النهائي (0.025 لتر / ثانية) يكون معدل تعداد النبضات 3.6 هرتز فقط. يعني هذا إلى حد ما أن عدادات تدفق التوربينات لا تفي بمعايير ATS / ERS ولكنها في الواقع انعكاس لكيفية عملها.

تتمثل إحدى نقاط البيع الأساسية لمقاييس التنفس في التوربينات في أنها لا تتطلب معايرات متكررة. يبدو أن هذا صحيح نسبيًا وتم التحقق منه في دراسة طولية واحدة على الأقل لمدة عامين. لهذا السبب ، من المحتمل أن تكون أجهزة قياس التنفس التوربينية مناسبة تمامًا للتطبيقات المحمولة أو الميدانية حيث تكون المعايرة نادرة أو غير موجودة وحيث قد تكون الاتجاهات الدقيقة أكثر أهمية من الدقة المطلقة (الاستخدام الشخصي أو التجارب السريرية ، على سبيل المثال). قد تنطبق نفس الخصائص جيدًا على قياس التنفس في المكتب ، ولكن نظرًا لأن هذا يبدو أنه منطقة تقع على الخط الفاصل بين استخدام قياس التنفس للمراقبة واستخدامه للتشخيص ، فأنا غير مرتاح للقول إن المعايرة المنتظمة ليست ضرورية.

من الأسباب الأخرى لاختيار مقاييس التنفس التوربينية أنها غير حساسة نسبيًا لتكوين الغاز والرطوبة والارتفاع. وجدت إحدى الدراسات حساسية تجاه درجة الحرارة ولكن قد يقتصر ذلك على النموذج المحدد الذي يتم اختباره.

لا يوجد مستشعر تدفق مثالي. على الرغم من أنه قد يكون صغيرًا ، إلا أن تأخر التوربين والظروف التي يحدث فيها (معدلات تدفق منخفضة ، ومعدلات تدفق عالية ، ومعدلات تدفق متغيرة) بالإضافة إلى الخطية الكلية لمستشعر التوربينات تتطلب تصحيحًا برمجيًا. إن مقدار ونوع التصحيح الذي يتم إجراؤه لمقياس التنفس المعطى هو معلومات خاصة ، ولا يتم مشاركة التفاصيل مع المستخدمين النهائيين. بالمعنى الدقيق للكلمة ، هذا لا يختلف بشكل خاص بالنسبة لمصنعي مقياس التنفس التوربيني عن مصنعي أجهزة ضغط الهواء ، وتدفق الكتلة ، وفتحة ، وفتحة متغيرة ومقاييس التنفس فوق الصوتية ، وبالنظر إلى كمية الموارد التي خصصها كل مصنع لتطوير مستشعر تدفق معين ، فهو أيضًا مفهومة في الغالب.

ولكن على الرغم من أن مستشعرات التوربينات تبدو وكأنها تفاصيل بسيطة نسبيًا مثل الديناميكا الهوائية لتدفق الهواء الحلزوني ، فربما تكون معقدة للغاية. على الرغم من البحث المكثف ، إلا أنني لم أتمكن من العثور على أي دراسة استكشفت فيزياء عمليتهم (أي مرشحين لدرجة الدكتوراه يبحثون عن موضوع أطروحة؟). إن الافتقار إلى المعلومات حول خصائص مقياس التنفس التوربيني يتركني في مأزق وسأكون أكثر راحة في مناقشتها إذا تمت دراستها وفهمها بشكل أفضل.

تأتي مقاييس التنفس التوربينية في مجموعة متنوعة من التكوينات. يستخدم البعض أجهزة استشعار يمكن التخلص منها والبعض الآخر لا يستخدمها. يأتي البعض بمحامل مرصعة بالجواهر والبعض الآخر لا. يأتي معظمها في اتجاه أفقي ولكن على الأقل لا يأتي أحدها. على الرغم من وجود بعض الأدلة الملتبسة على أنهم غير حساسين للتدفقات المنخفضة ، جميعهم يدعون أنهم يفيون بمعايير ATS / ERS ولا يوجد دليل قاطع على أنهم لا يفعلون ذلك. خلاصة القول هي أنه يجب اختيار مقياس التنفس ليس بناءً على ما إذا كان يستخدم (أو لا) يستخدم توربينًا ، ولكن على ما إذا كان البرنامج المستخدم لإجراء الاختبارات وتخزينها وإدارتها وإعداد تقارير عنها يلبي احتياجاتك.