Design and Execution of a Breathing Simulator for Testing of a Thermistor Based Respiratory Rate Sensor

Tässä diplomityössä tunnistettiin ne ihmisen hengitystoiminnan ominaispiirteet, joilla on vaikutusta pyrittäessä mittaamaan hengitystiheyttä ulos- ja sisäänhengityksen välisten lämpötilanvaihteluiden avulla. Kirjallisuuskatsauksessa nähdään, että aivojen hengityskeskus ohjaa hengitystoimintaa minuuttitilavuuden säätelyn avulla. Minuuttiventilaatio on seurausta toteutuneesta hengitystilavuudesta sekä hengitystiheydestä. Hengitystilavuus, hengitystiheys sekä sisään- ja uloshengityksen kestoajan suhde ovat ominaispiirteitä, joiden vaikutus ilmenee myös ilmateiden läheisyydestä mitatussa hengitysilman lämpötilassa. Myös kasvojen rakenteella on vaikutusta hengitystoiminnan ilmenemiseen. Ihmisen hengitystoiminnan säätelyn lisäksi havaittuihin lämpötilavaihteluihin vaikuttavat myös ympäristöolosuhteet. Sairaalaympäristön ilman lämpötila sekä suhteellinen kosteus vaihtelevat usean tekijän seurauksena. Ympäristön vaikutukset tulee kuitenkin ottaa huomioon, kun ihmisen hengitystoimintaa halutaan jäljitellä mahdollisimman tarkasti. Hengitystoiminnasta johtuvien lämpötilavaihteluiden riittävän tarkkaan jäljittelyyn soveltuvaa laitetta ei onnistuttu löytämään jo olemassa olevien laitteiden joukosta. Tämän takia diplomityön kokeellisessa osuudessa esitellään tarkoitukseen sopiva hengityssimulaattori. Simulaattori kykenee jäljittelemään ihmisen ulos- ja sisäänhengityksen lämpötilanvaihteluita vaihtelevissa ympäristöolosuhteissa tarkemmin kuin aiemmat laitteet ja soveltuu siten aiempia laitteita paremmin termistorien avulla hengitystiheyttä mittaavien laitteiden testaamiseen. Kokeellisen työn avulla tunnistetiin tarpeita lisätutkimukselle.This master's thesis aims to identify such features of human respiration that have an effect on the measurement of respiration rate through monitoring of the temperature differences between exhaled and inhaled air. It was observed through literature review that the respiratory center within the human brain controls the respiration by adjusting minute volume, which is a product of tidal volume and respiration rate. Tidal volume, respiration rate and the ratio between the durations of inspiratory and expiratory phases, all affect the temperature of respired air. It was also observed that facial structure of an individual affects how respiration is observed at mouth and nostrils. In addition to regulation of human respiration, environmental conditions within the hospital also have an effect on the temperature variances observed. The ambient temperature and the relative humidity of hospital air are affected by multiple factors and must be taken into consideration as one aims to replicate the thermal effects of human respiration with adequate precision. A device capable of simulating such conditions was not able to be identified. Because of this, a respiration simulator was developed and is presented within the practical part of this master's thesis. The respiration simulator is able to replicate the thermal effects of human exhalation and inhalation in varying climatic conditions with more precision than existing devices, and is thus a better fit for testing a thermistor based respiratory rate sensor. During the practical work, needs for further research on several topics were identified