模仿呼吸時(shí)肺通氣試驗(yàn)裝置的研制

嚴(yán) 甜 袁越陽(yáng)

(江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所1,江蘇 南京 225300;蘇州市凱迪醫(yī)學(xué)科技有限公司2，江蘇 蘇州 215163)

模仿呼吸時(shí)肺通氣試驗(yàn)裝置的研制

嚴(yán) 甜1袁越陽(yáng)2

(江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所1,江蘇 南京 225300;蘇州市凱迪醫(yī)學(xué)科技有限公司2，江蘇 蘇州 215163)

機(jī)械通氣是支持和拯救患者生命的重要方式之一。在實(shí)行通氣臨床應(yīng)用之前，對(duì)設(shè)備的參數(shù)和性能的測(cè)定是保證試驗(yàn)更具安全性和可行性的前提。為了建立能夠模仿呼吸時(shí)肺通氣情況的裝置來(lái)替代活體肺通氣作為通氣試驗(yàn)對(duì)象，以動(dòng)物肺為肺通氣模型核心，采用數(shù)據(jù)處理和驅(qū)動(dòng)控制，研制了一款通過(guò)驅(qū)動(dòng)針筒活塞模仿呼吸肌做功產(chǎn)生吸、呼氣流對(duì)肺通氣模型進(jìn)行通氣的試驗(yàn)裝置。通過(guò)比較新鮮羊肺為肺通氣模型模仿呼吸試驗(yàn)輸出的氣流波形與實(shí)測(cè)人體呼吸氣流波形，證明了所建試驗(yàn)裝置的通氣氣流波形特征與實(shí)測(cè)人體呼吸氣流波形特征相一致。

傳感器 醫(yī)療器械 機(jī)械通氣 肺通氣 通氣模型 標(biāo)定 光電隔音 流量

0 引言

隨著人類大氣環(huán)境受到塵埃、廢氣等污染，有關(guān)呼吸道疾病的發(fā)病率逐年上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受到我國(guó)自然環(huán)境變化和人口老齡化等因素的影響，每年不同程度的呼吸疾病患者大約有8 000萬(wàn)。而在治療這類疾病(如塵肺病、COPD、ARDS等)時(shí)，機(jī)械通氣(主要是呼吸機(jī))受到廣大醫(yī)務(wù)人員和患者的關(guān)注和青睞[1-2]。對(duì)機(jī)械通氣設(shè)備和通氣模式的市場(chǎng)需求，也不斷激發(fā)研究人員、生產(chǎn)廠家為之投入更多精力進(jìn)行研究、開發(fā)和生產(chǎn)。與此同時(shí)，對(duì)通氣設(shè)備的評(píng)估方式和測(cè)定方法也有更高的要求。

目前，在臨床和應(yīng)用各種機(jī)械通氣設(shè)備之前，評(píng)估和測(cè)定各種通氣時(shí)主要采用的裝置是機(jī)械模擬肺[3-5]。機(jī)械模擬肺采用一種具有彈性的、類似氣瓤或風(fēng)箱的部件來(lái)替代活體肺，這是實(shí)現(xiàn)模仿呼吸通氣功能的關(guān)鍵部分。這種替代肺的部件通常只能線性地反映各種呼吸參數(shù)，如氣道阻力、肺順應(yīng)性等。而這類參數(shù)在實(shí)際活體上往往呈現(xiàn)出非線性的動(dòng)態(tài)變化[6-7]。為了更加真實(shí)地反映活體呼吸特征，在測(cè)定中既要提高對(duì)通氣設(shè)備輸出的要求，又要避免直接活體臨床帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，采用新鮮動(dòng)物肺來(lái)模仿呼吸肺通氣活動(dòng)并對(duì)通氣設(shè)備進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，不失為一種行之有效的方式。為此，提出并設(shè)計(jì)了一種以動(dòng)物尸源性肺為肺通氣物理模型的試驗(yàn)裝置。

1 試驗(yàn)方式

試驗(yàn)平臺(tái)主要包括信號(hào)采集和處理裝置、肺通氣物理模型、能模仿呼吸肌做功的針筒及活塞驅(qū)動(dòng)裝置。試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模仿呼吸肺通氣的核心部件是肺通氣物理模型。在人頭模具內(nèi)置入模仿人體上氣道的彎曲普通樹脂呼吸管路(管路長(zhǎng)約為30 cm，直徑為22 mm，內(nèi)置一氣阻，在流量為20 L/min時(shí)氣阻值約為2 cmH2O，接近人體上氣道氣阻[8])，該呼吸管路向下伸入密封的塑料桶內(nèi)并通過(guò)轉(zhuǎn)接頭與動(dòng)物肺相連。該轉(zhuǎn)接頭內(nèi)含有壓力傳感器和流量傳感器，用于測(cè)量肺部的氣流和氣壓。利用密封的塑料桶(壓力為40 cmH2O時(shí)，漏氣流<0.5 L/min)來(lái)模仿具有支撐作用的胸腔。桶壁上開孔通過(guò)另一根標(biāo)準(zhǔn)呼吸管路(長(zhǎng)約為1.8 m，直徑為22 mm)與活塞式針筒(最大容量為2 L)輸出口相連接。通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)來(lái)模仿呼吸做功并產(chǎn)生“胸腔”內(nèi)與外部大氣的壓力差。壓力和流量采樣管(橡膠軟管，孔徑為2 mm)通過(guò)置于桶壁的采樣接頭與氣道內(nèi)傳感器輸出口和“胸腔”相通。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Diagram of experimental platform

模擬呼吸操作流程如圖2所示。吸氣時(shí)，向外拉活塞，抽取“胸腔”內(nèi)的空氣使“胸腔”內(nèi)形成相對(duì)外部大氣的負(fù)壓。在此負(fù)壓驅(qū)動(dòng)下，氣流被吸入肺部，且直到負(fù)壓力消失處于吸氣末狀態(tài)。呼氣時(shí)，松開活塞或向內(nèi)輕推回活塞(平衡活塞與筒壁之間的摩擦)，肺在自身彈性力的作用下逐漸恢復(fù)原狀并進(jìn)入待吸氣前狀態(tài)，此時(shí)活塞內(nèi)空氣被排入“胸腔”，使“胸腔”內(nèi)負(fù)壓逐漸升高到不低于外部大氣壓，從而確保肺內(nèi)空氣排入大氣。

圖2 模擬呼吸操作流程圖

Fig.2 Process of breathing simulation

當(dāng)該壓力差消失后，進(jìn)入呼氣末狀態(tài)等待下一個(gè)呼吸循環(huán)[9]。活塞驅(qū)動(dòng)裝置可以采用人工手動(dòng)驅(qū)動(dòng)或電控驅(qū)動(dòng)。前者便于模仿實(shí)際呼吸時(shí)的隨意性；而后者主要是在交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)減速齒輪箱和力矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)來(lái)模仿穩(wěn)定的肺通氣。

多路數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)主要包括信號(hào)處理電路、與外部電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的USB接口及驅(qū)動(dòng)、電源處理電路。信號(hào)處理電路如圖3所示。傳感器(氣壓傳感器和流量傳感器)把收集到的氣流、氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)；模擬信號(hào)通過(guò)信號(hào)整形、濾波后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；利用數(shù)字信號(hào)只有高低電平的特點(diǎn)，采用光電隔離技術(shù)，保證數(shù)據(jù)處理器得到的數(shù)字信號(hào)完全與傳感器端的模擬信號(hào)隔離；數(shù)據(jù)經(jīng)處理器運(yùn)算處理后，通過(guò)USB接口上傳到個(gè)人計(jì)算機(jī)等設(shè)備。

圖3 多路信號(hào)處理電路框圖

Fig.3 Block diagram of the multi-channel signal processing circuitry

2 參數(shù)標(biāo)定

從傳感器上傳的數(shù)據(jù)在沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理之前，只是簡(jiǎn)單的電壓信號(hào)，并無(wú)實(shí)際意義，不能真實(shí)地反映呼吸氣流的流量和壓力。因此，采用TSI公司生產(chǎn)的TSI-4040型流量計(jì)來(lái)標(biāo)定裝置的流量，并結(jié)合臺(tái)灣衡欣公司生產(chǎn)的AZ8252數(shù)字壓力計(jì)，來(lái)標(biāo)定裝置的壓力。圖4和圖5分別是流量傳感器和壓力傳感器上傳的電壓值及與之相對(duì)應(yīng)的實(shí)際流量和壓力曲線圖(相對(duì)大氣壓)。

圖4 流量-電壓標(biāo)定曲線圖

Fig.4 Flow-voltage calibration curve

圖5 壓力-電壓標(biāo)定曲線圖

Fig.5 Pressure-voltage calibration curve

對(duì)圖4和圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得流量Q、氣壓P與傳感器輸出電壓值U之間的數(shù)學(xué)關(guān)系滿足式(1)(擬合優(yōu)度R>0.99)。

(1)

式中：u∈[0,5]，V；Q為流量，L/min；P為氣壓，cmH2O(厘米水柱，1 cmH2O≈98 Pa)。

3 試驗(yàn)與分析

在試驗(yàn)裝置的“胸腔”內(nèi)，分別置入替代左右兩肺的2個(gè)羊肺(記為1#，羊的質(zhì)量約為30 kg)、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣瓤(1 L，廠家標(biāo)定順應(yīng)性為20 ml/cmH2O)或另外2個(gè)羊肺(記為2#，羊的質(zhì)量約為25 kg)后，用手緩慢推拉或電控驅(qū)動(dòng)針筒活塞模仿呼吸動(dòng)作。

在推拉活塞做功的情況下，產(chǎn)生的肺通氣量和胸內(nèi)壓的相關(guān)曲線試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果圖

Fig.6 Test results

圖6中,數(shù)據(jù)采樣頻率為50 Hz。試驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)氣瓤在更大壓力作用下卻產(chǎn)生比羊肺更小的肺通氣量；采用氣瓤時(shí)的通氣量-胸內(nèi)壓曲線也比采用羊肺時(shí)的更趨近于線性變化。

圖7為利用2#羊肺和電控驅(qū)動(dòng)活塞模仿正常人呼吸時(shí)所測(cè)得的呼吸氣流曲線。通過(guò)驅(qū)動(dòng)活塞來(lái)控制“胸腔”內(nèi)的壓力，滿足式(2)的要求[10]。

(2)

式中：Pmus為在t時(shí)刻驅(qū)動(dòng)活塞所產(chǎn)生的胸內(nèi)壓；T、TI分別為呼吸周期和吸氣時(shí)間；Pmax為最大呼吸用力所對(duì)應(yīng)的胸內(nèi)壓；λ為待定時(shí)間常數(shù)。當(dāng)試驗(yàn)取Pmax≈23 cmH2O、TI=1.8 s、T=3.75 s(呼吸頻率16次/min)和λ=0.8 s時(shí)，所得圖7(b)中實(shí)線所示的模仿呼吸氣流曲線與虛線所示的正常成人的平均特征曲線(數(shù)據(jù)來(lái)源12個(gè)健康成年人：體重為50～75 kg，身高為155～180 cm，年齡為20～60歲)相近，且兩者相似度[11]大于0.95。

圖7 電控模仿呼吸輸出曲線圖

Fig.7 The simulated respiratory flow output

under motor driver

目前，用于機(jī)械通氣設(shè)備性能評(píng)價(jià)和醫(yī)務(wù)人員技能學(xué)習(xí)與培訓(xùn)的設(shè)備主要還是采用類似于Ingmar Medical的ASL5000之類的機(jī)械模擬肺。它們往往是通過(guò)對(duì)具有一定彈性(或順應(yīng)性)的氣瓤進(jìn)行充氣、放氣來(lái)實(shí)現(xiàn)其“呼吸通氣”功能。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，采用所述裝置和動(dòng)物新鮮肺來(lái)模仿呼吸通氣功能更能體現(xiàn)肺通氣的特征。另外，由于裝置更接近真實(shí)呼吸肺通氣的優(yōu)點(diǎn)，用其檢測(cè)機(jī)械通氣設(shè)備(如呼吸機(jī))，將有利于提高對(duì)機(jī)械通氣設(shè)備輸出參數(shù)和性能的驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)用肺通氣試驗(yàn)裝置，并采用標(biāo)準(zhǔn)的氣瓤(夾板肺)和新鮮羊肺為試驗(yàn)對(duì)象，模仿了呼吸時(shí)的肺通氣試驗(yàn)。試驗(yàn)所得的“呼吸”氣流波形特征與實(shí)際測(cè)試的呼吸氣流波形之間的相似度大于95%。該裝置為今后的通氣試驗(yàn)提供了更接近于采用活體進(jìn)行通氣試驗(yàn)的條件。

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Research and Development of the Experimental Device for Simulating Respiratory Lung Ventilation

Mechanical ventilation is one of the important ways to support and save the lives of patients. Before carrying out the clinical application of ventilation, to ensure that the test is more safe and feasible, the prerequisite is determining the parameters and performance of equipment. In order to build the device that can emulate respiratory lung ventilation to substitute living lung ventilation, the lung of animal is used as the model kernel of the lung ventilation; through data processing and driving control, an experimental device for ventilation is developed. In this device, the syringe piston is driven to emulate the acting of respiratory muscle, for producing the airflow of suction and exhalation; then the lung ventilation model is ventilated. The experiment is conducted using fresh sheep lung, the output waveform is compared with the waveform of the measured human respiratory airflow; the result indicates that the features of ventilation airflow waveform of experimental device built are consistent with the features of measured respiratory airflow waveform of human body.

Sensor Medical instrument Mechanical ventilation Lung ventilation Ventilation model Calibration Optoelectronic isolotion Flow

嚴(yán)甜(1988—)，女，2010年畢業(yè)于南京郵電大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事醫(yī)療器械測(cè)試與測(cè)試裝置及方法的研究。

TH6;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612010

修改稿收到日期：2016-03-07。