林 芳

呼吸機(jī)潮氣量校準(zhǔn)及其不確定度評(píng)定

林 芳①

分析呼吸機(jī)的工作原理和不同的分類。依據(jù)JJF1234-2010《呼吸機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，對(duì)呼吸機(jī)最主要工作參數(shù)潮氣量的技術(shù)參數(shù)、校準(zhǔn)方法以及測(cè)量不確定度進(jìn)行分析和評(píng)定。

呼吸機(jī)；潮氣量；不確定度

[First-author's address]Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, China.

1 呼吸機(jī)原理和分類

人體進(jìn)行正常生理活動(dòng)所需的能量都是由體內(nèi)氧化代謝作用產(chǎn)生的，細(xì)胞組織必須不停地進(jìn)行氧化代謝來(lái)維持正常的生命活動(dòng)。健康的人通過(guò)呼吸活動(dòng)，從空氣中攝入的氧氣已能滿足各器官組織氧化代謝的需要。如果呼吸系統(tǒng)的生理功能遇到障礙，如急慢性呼吸衰竭或呼吸功能不全等，均需采用輸氧和人工呼吸進(jìn)行搶救治療。從1927年Drinker發(fā)明的箱式體外負(fù)壓通氣機(jī)至今，世界上投入臨床使用的各類呼吸機(jī)已達(dá)200多種，呼吸機(jī)被普遍地應(yīng)用于病人呼吸功能衰竭、急救復(fù)蘇以及手術(shù)麻醉等領(lǐng)域。

肺泡是人體進(jìn)行呼吸運(yùn)動(dòng)的生理基礎(chǔ)。在人體自主呼吸時(shí)，肺泡的膨脹和收縮與大氣壓之間的壓力差形成了呼吸功能。吸氣時(shí)，肺內(nèi)壓力低于外部大氣壓，呼氣時(shí)，肺內(nèi)壓力大于外部大氣壓。呼吸機(jī)的工作原理就是用機(jī)械的辦法建立這一壓力差，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制的人工呼吸過(guò)程。呼吸機(jī)由供氣裝置、控制裝置和病人氣路3部分組成。其中

供氣裝置由空氣壓縮機(jī)、氧氣

供給裝置和空氧混合器組成，主要供給病人吸入的氧氣；控制裝置由計(jì)算機(jī)對(duì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行智能化處理，通過(guò)控制器發(fā)出不同指令來(lái)控制各個(gè)傳感器、呼出閥和吸氣閥來(lái)滿足病人呼吸要求；病人氣路由氣體管道、濕化器和過(guò)濾器組成。

當(dāng)今的呼吸機(jī)性能越來(lái)越完善，功能越來(lái)越多。按照吸氣向呼氣的切換方式來(lái)分類可分為：壓力切換型、容積切換型、時(shí)間切換型和聯(lián)合切換型四種。每臺(tái)呼吸機(jī)至少有一種切換方式，現(xiàn)代先進(jìn)的呼吸機(jī)可能有2～3種切換方式供臨床選擇。壓力切換型即通過(guò)氣通壓力來(lái)管理通氣。容積切換型是預(yù)定潮氣量、峰流值對(duì)患者進(jìn)行通氣，當(dāng)肺部充氣擴(kuò)張，容量、流速達(dá)到預(yù)定值后立即停止供氣，由吸氣轉(zhuǎn)為呼氣。時(shí)間切換型是通過(guò)預(yù)定呼吸周期，按設(shè)置的潮氣量定時(shí)進(jìn)行吸氣、呼氣切換。聯(lián)合切換型兼有多種吸氣相轉(zhuǎn)換的方式，各種轉(zhuǎn)換方式按需要設(shè)置，在計(jì)算機(jī)的智能控制下，機(jī)器自動(dòng)調(diào)節(jié)有關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)供氣。按照動(dòng)力來(lái)源可分為：氣動(dòng)氣控呼吸機(jī)、氣動(dòng)電控呼吸機(jī)、電動(dòng)電控呼吸機(jī)。按應(yīng)用對(duì)象分類可分為：成人呼吸機(jī)、小兒呼吸機(jī)、成人—小兒兼用呼吸機(jī)。

2 潮氣量技術(shù)參數(shù)和校準(zhǔn)

呼吸機(jī)最主要的工作參數(shù)有潮氣量、壓力、流量和時(shí)間（含呼吸頻率、吸呼比）。潮氣量（VT）是指患者單次吸入或呼出氣體的體積，對(duì)呼吸機(jī)而言，指機(jī)器每次向患者傳送的混合氣體的體積。潮氣量的設(shè)定是機(jī)械通氣時(shí)首先要考慮的問(wèn)題。容量控制通氣(VCV)時(shí)，潮氣量設(shè)置的目標(biāo)是保證足夠的通氣，并使患者較為舒適。成人潮氣量一般為5～15 ml/kg，最常用的范圍是8～12 mg/kg。潮氣量大小的設(shè)定應(yīng)考慮以下因素：胸肺順應(yīng)性、氣道阻力、呼吸機(jī)管道的可壓縮容積、氧合狀態(tài)、通氣功能和發(fā)生氣壓傷的危險(xiǎn)性。氣壓傷等呼吸機(jī)相關(guān)的損傷是機(jī)械通氣應(yīng)用不當(dāng)引起的，潮氣量設(shè)置過(guò)程中，為防止發(fā)生氣壓傷，一般要求氣道平臺(tái)壓力不超過(guò)35～40 cmH2O。對(duì)于壓力控制通氣(PCV)，潮氣量的大小主要決定于預(yù)設(shè)的壓力水平、病人的吸氣力量及氣道阻力。一般情況下，潮氣量水平亦不應(yīng)高于8～12 ml/kg。因?yàn)獒t(yī)生是根據(jù)病人的體重來(lái)設(shè)置潮氣量的大小。病人與呼吸機(jī)回路循環(huán)呼吸，流量傳感器在呼吸回路中間監(jiān)測(cè)潮氣量。過(guò)高的潮氣量會(huì)對(duì)肺部不利，過(guò)低的潮氣量不能產(chǎn)生肺泡通氣，因此潮氣量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度在臨床上特別重要。對(duì)于輸送潮氣量大于100 ml/次或通氣量大于3 L/min的呼吸機(jī)，潮氣量最大輸出誤差與示值偏差應(yīng)不大于±15%。對(duì)于輸送潮氣量小于100 ml/次或通氣量小于3 L/min的呼吸機(jī)，應(yīng)滿足使用說(shuō)明書的精度要求。

呼吸機(jī)潮氣量校準(zhǔn)時(shí)，先根據(jù)呼吸機(jī)類型不同，正確連接呼吸機(jī)測(cè)試儀、模擬肺和成人或嬰兒呼吸管路，連接方法見(jiàn)圖1：

圖1 呼吸機(jī)校準(zhǔn)系統(tǒng)連接示意圖

潮氣量的檢測(cè)都是在容量控制（VCV）模式下進(jìn)行的，成人型呼吸機(jī)和嬰幼兒型呼吸機(jī)潮氣量的檢測(cè)在呼吸頻率、吸呼比設(shè)定上有所不同。分別按表1和表2中的條件和參數(shù)對(duì)潮氣量進(jìn)行校準(zhǔn)。采用多點(diǎn)測(cè)量法，分別記錄測(cè)試儀示值Z和呼吸機(jī)示值Y，按公式計(jì)算輸出誤差

表1 成人型呼吸機(jī)潮氣量校準(zhǔn)表

表2 嬰幼兒型呼吸機(jī)潮氣量校準(zhǔn)表

3 潮氣量輸出誤差測(cè)量不確定度評(píng)定

依據(jù)JJF1234-2010《呼吸機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，選用呼吸機(jī)測(cè)試儀，潮氣量允差：±3%，對(duì)呼吸機(jī)潮氣量進(jìn)行校準(zhǔn)。先檢查呼吸機(jī)的外觀、附件、氣源、呼吸管路等連接是否正常，開機(jī)檢查呼吸機(jī)通氣功能是否正常。然后正確連接呼吸機(jī)測(cè)試儀和模擬肺，在容量控制（VCV）模式下，設(shè)定呼吸頻率f=20次/ min、吸呼比I:E=1:2、呼氣末正壓PEEP=0.2 kPa、吸入氧的體積分?jǐn)?shù)FiO2=40%，對(duì)600 ml點(diǎn)潮氣量進(jìn)行測(cè)量。

3.1 數(shù)學(xué)模型

式中： μ ----輸出誤差

Y ----呼吸機(jī)示值

Z ----測(cè)試儀示值

式中：Y、Z之間互為獨(dú)立，其靈敏系數(shù)與方差分別為

3.2 各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

3.2.1 輸入量Y的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Y)的來(lái)源主要是被測(cè)呼吸機(jī)的測(cè)量重復(fù)性，可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量列，用A類方法進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)測(cè)量方法對(duì)600 ml點(diǎn)潮氣量作10次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，其測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 10次重復(fù)性測(cè)量數(shù)列 (ml)

單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

任意選擇3種同類型的呼吸機(jī)對(duì)400 ml、800 ml、1000 ml點(diǎn)潮氣量連續(xù)測(cè)量10次共得9組測(cè)量列，分別按上述計(jì)算得到單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，如表4所示：

表4 9組實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果 (ml)

合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差:

3.2.2 輸入量Z的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來(lái)源主要是測(cè)試儀的不確定度, 測(cè)試儀潮氣量允差：±3%，Δp=±3%×600 ml=±18 ml在區(qū)間內(nèi)屬于均勻分布，包含因子k=,區(qū)間半寬α=18 ml，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

3.3.1 各不確定度分量匯總及計(jì)算表

3.3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

由于Y、Z之間彼此獨(dú)立不相關(guān),因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取有效自由度υeff=50，對(duì)最終結(jié)果不會(huì)有太大影響。

3.3.4 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定3.4 測(cè)量不確定度的報(bào)告

本測(cè)試儀測(cè)量呼吸機(jī)潮氣量測(cè)量結(jié)果相對(duì)擴(kuò)展不確定度為:

4 結(jié)束語(yǔ)

檢測(cè)前我們應(yīng)先檢查呼吸回路是否連接正確，螺紋管是否有破損，壓力采樣管是否接好，溫度傳感器探頭是否安好，濕化器密封圈是否破損老化封閉不嚴(yán)，儲(chǔ)水罐是否破裂，旋轉(zhuǎn)是否到位，單向閥是否破裂。其中任何一個(gè)地方漏氣，都會(huì)引起潮氣量監(jiān)測(cè)誤差。另外檢測(cè)前還要檢查管路是否潮濕有水，濕化器的水是否倒掉。因?yàn)橐坏┯兴M(jìn)入傳感器，潮氣量監(jiān)測(cè)值就會(huì)偏小。傳感器分為壓差式和渦扇式，壓差式以呼吸氣流通過(guò)傳感器產(chǎn)生壓力，根據(jù)壓力高低計(jì)算氣流大小。渦扇式以呼吸氣流帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，紅外線檢測(cè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)算潮氣量。一旦有水進(jìn)入傳感器的渦輪風(fēng)扇，風(fēng)扇的阻力增加，轉(zhuǎn)速減慢，紅外線測(cè)試靈敏度降低；對(duì)于壓差傳感器，當(dāng)水進(jìn)入測(cè)壓管，形成部分水堵，潮氣量監(jiān)測(cè)值偏小。只有做好檢測(cè)前的檢查工作，消除影響潮氣量測(cè)量值的外部因素，才能保證潮氣量測(cè)量的準(zhǔn)確，減小潮氣量的輸出誤差。對(duì)提高呼吸機(jī)臨床救治的成功率、減少臨床風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。

表5 不確定度分量匯總及計(jì)算表

[1]JJF 12342-2010.呼吸機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)量出版社,2010.

[2]張秋實(shí).呼吸機(jī)、麻醉機(jī)質(zhì)量控制檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[3]何西坤,付園. 呼吸機(jī)檢定過(guò)程中潮氣量誤差分析及解決方法[J]. 計(jì)量技術(shù),2009(增刊).

[4]嚴(yán)紅劍.有源醫(yī)療器械檢測(cè)技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2007.8.

[5]陳曦.呼吸機(jī)檢測(cè)中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].計(jì)量技術(shù),2009(增刊).

Calibration of ventilators and assessment of its measurement uncertainty

LIN Fang

The article analyzes the working principle and different classifications of ventilators. Based on JJF1234-2010 calibration specification for ventilators, we made analysis and evaluation on technical parameters, calibrating method and uncertainty of measurement of tidal volume.

Ventilator; Tidal volume; Uncertainty

1672-8270(2010)11-0007-04

TH 77

A

林芳,女,(1962- ),本科學(xué)歷，高級(jí)工程師。福建省計(jì)量科學(xué)研究院，從事醫(yī)療設(shè)備檢定和校準(zhǔn)工作。

2010-08-16

①福建省計(jì)量科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)室 福建 福州 350003

China Medical Equipment,2010,7(11):7-10.