7.2. БИОКАЛОРИМЕТРИЯ

  Главная     Учебники -  Кройка, шитьё     Гигиена одежды Делль Р.А.

 поиск по сайту           правообладателям

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 

 

 

7.2. БИОКАЛОРИМЕТРИЯ

При изучении теплового состояния человека в одежде большую роль играют методы биокалориметрии, которые позволяют определить энерготраты, теплопродукцию, тепло- и влаговыделение. Параллельно изучаются состояние сердечно-сосудистой системы, нарушения в которой возникают вследствие перегревания или переохлаждения организма человека и температурного воз* действия внешней среды. Энерготраты определяют при оценке различных конструктивных изменений в одежде. По данным [7.3], например, при исследовании всесезонных курток с различными прибавками на свободу облегания по линии груди наблюдается увеличение энерготрат при выполнении дозированной физической нагрузки (подъем штанги массой 10 кг на высоту вытянутых вверх рук с частотой 15 подъемов и опусканий в минуту); в куртке с Пг = 5 см энерготраты составляют 133 Вт, в куртке с Пг= 11 см они равны 118 Вт. Энергообмен организма человека производят методами непрямой и прямой калориметрии.

Методы непрямой калориметрии. Энерготраты при использовании метода непрямой калориметрии определяют исходя из объема поглощенного организмом человека кислорода (Vо2) и объема выделенного углекислого газа( Vсо2) измеренных с помощью газообменных методик. С учетом дыхательного коэффициента Д= Vсо2/Vo2, и в зависимости от значения теплового эквивалента 1 л поглощенного кислорода рассчитывают энерготраты человека. По этому же методу устанавливают теплопродукцию человека и энергию, затрачиваемую им на выполнение внешней работы.

Значения дыхательного коэффициента находятся в пределах 0,7—1. В зависимости от природы окисляемой в организме пищи коэффициент Д при окислении углеводов равен 1, белков — 0,85, жиров — 0,7 и смешанной пищи — 0,82. Тепловой эквивалент (калорический коэффициент) 1 л поглощенного кислорода принимают равным для углеводов 5, белков — 5,85 и жиров 4,7 Вт.

Для анализа выдыхаемого воздуха в методах непрямой калориметрии используются приборы, работающие по принцип газоанализной и объемной методик [7.2].

По газоанализной методике контролируют только выдыхаемый воздух. Его объем измеряют с помощью газовых счетчиков а содержание в нем С02 и 02— химическими или физическим газоанализаторами. Широко известен работающий по этом принципу прибор Дугласа — Холдена. Определение содержании кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе основан на принципе измерения объема воздуха до и после обработок его химическими веществами, поглощающими из него С02 и О2 Газоанализный метод Дугласа — Холдена не требует сложной аппаратуры. Однако процесс проведения исследований

трудоёмок. Необходимость работы со ртутью и щелочью в качестве поглотителей СО2 и О2 требует для проведения исследован специальных помещений. Автоматические газоанализаторы (приборы открытого типа) более удобны. Выдыхаемый воздух в таких приборах выпускается через газовый счетчик в атмосфер а часть воздуха направляется в газоанализатор для определения О2 и С02.

Автоматическими газоанализаторами открытого типа являются СОТ-1, ЛГИ-1, прибор Белау и др. Такие газоанализаторы имеют ряд недостатков: невысокую точность прибора, невозможность проводить исследования в разных газовых режимах дыхания, инерционность, громоздкость и т. д.

Объемная методика заключается в регистрации уменьшен объема газа в замкнутой системе, к которой присоединен чел век. Выделяемый человеком углекислый газ улавливается поглотителем (твердым или жидким). Достоинство объемной

методики заключается в том, что искомые величины определяют сразу, без промежуточных или косвенных измерений. Для этого исследований используются приборы закрытого типа, рабочей частью которых является спирометр — аппарат, измеряющий объемы газов.

Спирометр 1 соединен (рис. 7.1) с мундштуком 3, через который дышит человек, забирая при вдохе воздух из спирометра

и выдыхая его обратно. На пути выдыхаемого воздуха установлен поглотитель 4 углекислого газа. Так как кислород потребляется человеком постоянно, а выдыхаемый углекислый газ поглощается химическими веществами, объем воздуха в аппарате уменьшается. При выдыхании человека спирометр реагирует на изменение объема воздуха, а посредством самописца 2 регистрируется дыхательный процесс на движущейся ленте. На спирометре регистрируются все данные, характеризующие внешнее дыхание человека: глубина, частота и ритм, продолжительность вдоха и выдоха, объемы поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа.

Спирометры позволяют проводить .газовый анализ воздуха при содержании в нем не более 21 % кислорода. При исследовании некоторых видов специальной одежды вдыхаемый воздух может содержать до 30—70% кислорода. В связи с этим анализ воздуха выполняют на газоанализаторах, позволяющих определять высокие концентрации кислорода. Для газового анализа вдыхаемого и выдыхаемого воздуха широко применяется метод газовой хроматографии, основанный на физическом разделении сложных смесей [7.4]. С помощью газохроматографов производится разделение газовых смесей, качественный и количественный анализ отдельных компонентов.


 

 

Рис. 7.2. Схема газохроматографа


 

 

 

Основные части газохроматографа (рис. 7,2)—разделительная колонка с определенным наполнителем и детектор, который фиксирует входящие в него компоненты газовой смеси. Газоноситель (азот, аргон, водород и др.) из баллона 1 поступает через редакционный вентиль 2 в осушитель 3 для удаления из него влаги. Необходимый расход газа-носителя устанавливается по ротаметру 4. Далее газ-носитель проходит приспособление 5 для ввода исследуемой газовой пробы, откуда введенная проба воздуха потоком газа вносится в хроматографическую разделительную колонку 6. Разделенные компоненты из колонки поступают в детектор 7, величина сигнала которого определяется химическими свойствами и количеством исследуемого газа. Хроматограмма разделения газовой смеси записывается на ленте самописца 8.

Метод газовой хроматографии прост, позволяет повысить точность исследований и сократить время анализа газовой смеси (продолжительность анализа пробы не превышает 5 мин).

Для определения энерготрат может быть использовано эмпирическое уравнение, устанавливающее зависимость энерготрат от объема легочной вентиляции:

Qэ.т=0,2331V,

где V — объем легочной вентиляции, приведенный к нормальному давления при температуре воздуха 0°С, дм3/ч.

Функцию внешнего дыхания определяют на приборе «Спиро 2-25». Работа прибора основана на принципе объемных измерений вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, причем вдох производится из одного объема, а выдох —в другой. Для определений минутного объема дыхания (МОД) или минутной вентиляции легких (МВЛ) включают счетчик. Разность показаний счетчика в момент вдоха и выдоха, деленная на время исследования в шунтах, показывает минутный объем дыхания или минутную вентиляцию легких. ;

Для изучения теплового состояния человека в некоторых видах специальной одежды (средствах индивидуальной защиты), когда следует учитывать физические особенности теплообмен человека, целесообразно применять метод прямой калориметрий Метод прямой калориметрии позволяет непосредственно измерять теплопродукцию и тепловыделения человека. Для более глубокого и всестороннего изучения процессов теплообмена человека в средствах индивидуальной защиты возможно одновременное применение непрямой и прямой калориметрии.

Методы прямой биокалориметрии. Биокалориметры, используемые в методах прямой биокалориметрии, различаются по конструкции и типу теплопередачи. Биокалориметры бывают проточные и статичные. К проточным биокалориметрам относятся носимые, изотермические и косвенные, к статичным — абиатические, компенсационные, градиентные и динамические. В проточных биокалориметрах (изотермических устройствах) за счет высокой теплопроводности внешних оболочек тепло, выделяемо биологическим объектом, отводится из калориметрической камеры. В качестве теплоприемников применяют лед или воду, текущую по трубам теплообменника (рис. 7.3). Принцип работ проточных биокалориметров заключается в следующем: лед или вода воспринимают тепло, выделяемое в калориметре, количество которого при постоянном расходе пропорционально изменению температуры жидкости.

В зависимости от вида циркуляционной системы различают лроточные биокалориметры открытого и закрытого типов. В биокалориметрах первого типа производится одноразовое использование жидкости. Преимуществом таких биокалориметров является простота конструкции и высокая точность измерения расхода жидкости. В биокалориметрах второго закрытого типа циркуляция жидкости, которая обеспечивается насосом, требует применения расходомеров и систем поддержания или регулирования расхода теплоносителя. Калориметрические измерения в протонных биокалориметрах просты, но имеется ряд трудностей: систематические погрешности измерения зависят от точности измерения большого числа параметров (удельной теплоемкости, плотности, расхода и изменения температуры жидкости). Особые трудности представляют случайные погрешности, связанные с неравномерностью потока жидкости, появлением пузырьков воздуха и др. Для уменьшения этих погрешностей применяют регуляторы расхода жидкости [7.5].

В статичных биокалориметрах предусмотрена оболочка, ограничивающая объем рабочей камеры и одновременно регистрирующая интенсивность тепловых процессов в калориметре. Адиабатические биокалориметры характеризуются малой (близкой к нулю) теплопроводностью системы оболочек, отделяющих «го рабочую камеру от окружающей среды. Биологический объект в них термически изолирован.

 

Рис. 7.3. Схемы изотермических биокалориметров:
а — с теплоприемником в виде льда; б — с теплопрнемником в виде воды; 1 — объект исследования; 2 — теплоприемник; 3 — теплоизоляционная оболочка



Если теплопроводность среды, разделяющей оболочки биокалориметра  равна нулю, то тепловой поток между оболочками также становится равным нулю. Тепло, выделяемое в калориметре , становится равным произведению теплоемкости  на разницу температур в начале и конце наблюдения .
В адиабатических биокалориметрах при исследованиях живого организма важным является исключить теплообмен между его рабочей и внешней оболочками (рис. 7.4). Это достигается применением различных устройств, способных автоматически выравнивать среднеповерхностные, температуры этих оболочек 17.6]. Адиабатические биокалориметры при исследовании тепловыделений человека не получили широкого распространения по ряду причин. Одна из них следующая: для точного отсчета повышения температуры человека интервал времени после начала опыта должен быть большим, что приводит к перегреву организма человека.

В компенсационных биокалориметрах достигается высокая чувствительность при измерении теплопродукции живого организма. В них применяются два одинаковых, термически симметричных калориметра (рис. 7.5). В один калориметр помещают биологический объект, в другой — источник физической природы, основанный, например, на эффекте Джоуля. Процесс измерения регулируется таким образом, чтобы разность термоЭДС между рабочей и контрольной термобатареями равнялась нулю. Преимущество применения компенсационных биокалориметров— отсутствие в исследованиях таких трудоемких операций, как калибровка и учет тепловых потерь вследствие теплообмена калориметра с окружающей средой. Однако препятствиями для использования компенсационных биокалориметров являются сложность и высокая стоимость их изготовления, обеспечение идентичности условий теплообмена и др. В этой связи существенным вкладом в совершенствование биокалориметрической техники служит разработка градиентного и динамического биокалориметров.
 

 

Рис 7.4 Схема адиабатического биокалориметра
1 — объект исследования, 2 — оболочка рабочей камеры, 3 — внешняя оболочка; 4 — измерительное устройство
 

 


Рис 7.5 Схема компенсационного биокалориметра:
1 — рабочий калориметр; 2 — контрольный калориметр, 3 — контрольная термоэлектрическая батарея, 4 — рабочая термоэлектрическая батарея

 


В градиентном биокалориметре внутренняя поверхность камеры покрыта тонким равномерным слоем изолирующего материала. При этом градиент температуры внутренней и наружной поверхности слоя пропорционален скорости проведения тепла от любого тела, находящегося в калориметрической камере. Переход от одного уровня теплоотдачи к другому приводит к быстрому повышению или понижению градиента. Градиент температуры и скорость его изменения зависят от толщины изолирующего слоя. Среднее значение температурного градиента независимо от размера, формы и расположения источника тепла и путей потери его организмом (испарением, проведением, излучением). Схематичное изображение градиентного биокалориметра приведено на рис. 7 6.

Материалы, применяемые в качестве градиентного слоя, разнообразны: целлофан, стеклоткань, синтетическая ткань.

Чувствительными элементами датчиков теплового потока живого организма являются дифференциальные термопары. Метод градиентной биокалориметрии требует однородности градиентного слоя вне зависимости от геометрической формы устройства, высокой чувствительности датчиков и малой инерционности. Эти требования предопределяют наличие большого (от 10 до 100 тыс.) числа термопар, расположенных равномерно на стенках оболочек биокалориметрa, что ведет к его усложнению.

Динамические биокалориметры (осциллографы) позволяют производить быстрые измерения тепловых эффектов, адекватных изучаемым физиологическим процессам [7.7]. Сущность метода измерения заключается в том, что количество тепла, воспринимаемое оболочкой калориметра за определенный интервал времени, и количество тепла, которое оболочка калориметра передает во внешнюю среду, уравновешиваются количеством тепла, выделяющимся в рабочей камере за это время.

 

 

Рис 7.6 Градиентный биокалориметр:
а — общая схема установки, 6 — схема градиентного слоя, 1 — медь, 2 — константан, 3 — градиентный слой, 4 — металлическая оболочка

Конструкции динамических биокалориметров снабжены системой вентиляции, газового анализа и термостатирования рабочего объема камеры. Они позволяют с большой точностью (до 2%) проводить биоэнергетические эксперименты в интервале температур 4—40 °С, обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью. Для измерения температуры тела биологических объектов используются термопары (от 3 до б шт.).

Прямые калориметрические измерения обеспечивают точные я надежные результаты, дают возможность проводить физиолого- гигиенические исследования в широком диапазоне изменения параметров окружающей среды. Однако рассмотренные выше биокалориметры представляют собой герметичные камеры, рабочий объем которых зависит от размеров и характера движений исследуемого биологического объекта. Применительно к исследованиям человека, находящегося в покое (например, в положении лежа), объем камеры составляет 2 м3, а в случае выполнения физической нагрузки — в несколько раз больше. Поэтому термическая инерционность таких систем велика (значительна объемная теплоемкость системы, плохая теплопроводность рабочих сред) и измеряется десятками минут, часами. В результате исследования в таких калориметрических системах проводятся в течение длительного времени. Новое поколение калориметров— это носимые биокалориметры (НБК), обеспечивающие калориметрические исследования человека непосредственно в ходе его жизнедеятельности. В зависимости от среды обитания НБК подразделяются на наземные, высотные и подводные (схема 7.1).

Вредные факторы окружающей среды (температура, химические и радиоактивные вещества, движение) определили виды биокалориметров: пневмокостюмы, водолазные комбинезоны, скафандры авиационные и космические. Конструкция перечисленных биокалориметров при сохранении эффективной защиты от вредных факторов среды обитания человека (повышенного и пониженного барометрического давления, высоких и низких температур, радиации, воздействия химических веществ и др.) обеспечивает измерение показателей теплового состояния человека.

 

 

 

Схема 7.1 Классификация носимых биокалориметров
 



Все носимые биокалориметры изолирующего типа содержат герметичную оболочку, разделяющую внутреннюю и внешнюю среды и близкую по конструкции к антропометрическим данным человека; поверхность гермооболочки термоградиентного слоя — измеритель теплопередачи через эту оболочку устройства, обеспечивающие калориметрирование текучих рабочих сред (жидкости, газа) в системах охлаждения и вентиляции изделий; систему отбора проб для анализа газа в свободном объеме носимого биокалориметра, а также вдыхаемого и выдыхаемого человеком газа. По конструктивным различиям носимые биокалориметры делятся на наземные НБК-1, высотные НБК-2 и подводные НБК-3.



В наземных носимых биокалориметрах внешняя (гермосиловая) оболочка вследствие малых перепадов давлений между внутренней и наружной средой выполняется в виде тонкого монослоя из специального материала. Такой материал защищает организм человека от различных вредных (химических, радиоактивных и др.) воздействий. При малом избыточном давлении газа в подкостюмном пространстве у человека сохраняется хорошая подвижность.

В высотных носимых биокалориметрах (авиационных и космических) предъявляются высокие требования к герметичности и силовым свойствам оболочек. При больших перепадах давлений между внутренней и внешней средой эти требования входят в противоречие с другим важным требованием — обеспечение высокой подвижности при выполнении человеком работ в специфических условиях обитания. Современные авиационные и космические скафандры разнообразны. Известны конструкции мягких и жестких скафандров [7.8].

Подводные носимые биокалориметры предназначены для исследования тепловых эффектов в условиях воздействия высоких давлений окружающей водной среды и низкой температуры. В настоящее время наиболее широко применяются для эксплуатации и физиолого-гигиенических экспериментов носимые биокалориметры НБК-1 и НБК-2.