肺功能仪检测原理与常用仪器 郑劲平 广州呼吸

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肺量计容量测定能力应 > 8L ; 任何容量测定的误差 < 2 % ,或 ±50ml (取两 者中最大者) ; 分辨率 25ml 最低驱动压 0. 03kPa ; 定标筒容量应 > 1l
3. 2 时间测定 :
误差 < 2 % ; FVC 测定记录时间 > 14s ;
3. 3 流量计
测定范围 :0~15l/ s ; 误差 < 4 % ,或 ±0. 07l/ s(取两者中最大者) ;
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体积为 V ,则 V = ∫Qdt 或 Q = dV/ dt ;而体积 流量是流体流速 (V) 与流经截面积 (A) 体的 流速及吸/ 呼气体时间可求出吸/ 呼气容量 ; 反之亦然 。 2. 1. 1 容量测定型肺量计 容量测定型肺量计先测定流体的体积 , 而后得出流量 。 2. 1. 1. 1 水封式肺量计 (water - sealed spirome2 ter) : 这种肺量计结构简单 、测量准确 ,但测量 指标较少 ,不易于自动转换为流速参数 ,其容 量所测为室温容量 (ATPS 状态) ,应将其矫正 为体温容积 (BTPS 状态) 。目前已较少使用 , 仅在一 些 基 层 医 院 或 生 理 实 验 室 中 尚 有 使 用 ,如 Collins 肺量计 。其构造如图 1 ,钠石灰 是 CO2 吸收剂 ,鼓风机用于减少机器的阻力 , 容量的变化记录于记纹鼓 ,这种设备的死腔 量较大 ,一般为 6L~8L 。
3. 3. 1 压差式流量计 :
阻力 < 0. 1kpa/ l/ s ; 应有预热 ,以预防水蒸汽沉积 ;
3. 4 气道阻力测定 :
范围 0~2kPaຫໍສະໝຸດ Baidu l/ s ; 误差 ±0. 01kPa/ l/ s
3. 5 气体分析 :
肺容量测定时 CO2 < 0. 5 % He 测定范围 0~10 % ,误差应 < 1 % ; CO 测定范围 0~0. 3 % ,误差应 < 1 % ; 气体循环量最少 180l/ min
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降时电阻增加 ,热线温度下降时电阻减少) 。 维持热线温度的电流的变化与气体流速成正 比 。热线式传感器易受外环境因素影响 ,如 气压的改变 ,海拔高度 ,气体密度 (如呼出气 氧浓度不同) 等 。,在环境温度 、压力与标定温 度 、压力相差较多时其流速 (或容量) 测定值 可发生偏差 ,应对测量值进行标化补偿 ,温 度 、压力修正 。此外该传感器在低流量测定 时线性反应稍差 。
气流速度大小不同 ,变换器两端敏感出相应 的压力差 ,即压差信号 。压差传感器 :将与流 量成一定比例关系的压差信号转换成一定的 电信号 ,经处理后以数字或曲线图形显示 。 Fleish pneumotachograph 是较为常用的压 差式流量计 (图 3) 。此流量计的流速传感器 上有一筛状隔网 ,气流通过该网时受网的阻 力而流速下降 ,结果使网眼的另一端的压力 轻微下降 。网眼两端形成压降差 。压差传感 器可据此压差感应 ,产生电信号 。流速越快 , 压降越大 ,则产生压差电信号越强 。气流应 尽可能是层流 ,锥形体的保护网及毛细网可 提供此种气流方式 ,流量计上的加热器可加 温毛细网 ,避免呼出的饱和水蒸汽在筛状隔 网上冷凝沉积 ,阻塞网眼 。该隔网清洁消毒 较为困难 ,另外在高流量测定时误差偏大 。
图 2 干式滚桶式肺量计示意图
2. 1. 2. 流速测定型肺量计 流速式流量计则先测出流经截面积一定 的管路的流体速度 ,然后求出流量 ,也称为间 接测量式流量计 。 2. 1. 2. 1 压 差 式 流 量 计 (pressure differential flowmeter) : 利用在一定形状的流通管道中气流的压 力降落与流速的依从关系测定流量 。压差式 传感器包括两部分 :流量传感器 :实现气体流 速与压差的一次变换 ,根据流经该变换器的
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因氧有顺磁性 ,向磁力强区聚集 ,而非磁性气 体如氮气则聚向弱磁区 。 2. 2. 2 电子分析仪 :依热导性原理测量及惠 —斯电桥以比较不同气体通过两线的电流阻 力。 2. 2. 3 电化学分析仪 : 利用电极 —介质介面 上进行的电化学反应 ,将被测介质 (如 O2) 的 化学量转变成电量 。基本测量系统包括电解 质溶液 、电极 、及测量电路 。一旦启用 ,由于 不断进 行 的 化 学 反 应 消 耗 电 解 质 溶 液 和 电 极 ,此传感器使用寿命较短 (一般半年至一 年) 。 2. 2. 4 质谱仪 :中性的气体原子在电子被俘 获后形成离子 ,在磁场力的作用下发生偏传 , 不同的气体偏转角度各异 。利用此原理可将 各气体组分分开并定量测定 。 2. 2. 5 气相色谱仪 :利用混合气体中各组分 在互不相溶的二相之间分配的差异而使各气 体成分分离 。 2. 2. 6 红外 CO2 监测仪 : 利用 CO2 对红外线 的吸收原理检测 。 2. 3 压力计 :是指测量流体压力的仪器 。临床 医学中主要作呼吸肌肉力量测定和肺顺应性 测定 。 2. 3. 1 U 型管压力计 :以水或水银作工作介 质 。多用作测量压力的标准器 ,但读数和记 录不方便 。 2. 3. 2 膜片偏位式压力计 :通过相应于被测 压力的感应元件的膜片位移 ,把位移信号转 换成电信号输出 ,并作指示和记录 。 3 肺功能仪的技术要求 3. 1 容量测定 :
spirometer) : 见图 2 。病人呼出的气体使活塞移动 , 活塞由滚桶隔样的密封器与圆桶密封 。电压 计检测活塞的移动 ,活塞移动时产生的电压 信号可反映移动量的大小 ,间接反映呼吸气 体容量 。活塞面常较大 ,以减少活塞运动时 的机械阻力 。Gould 9000 , FUDAC 50 , ERS 1000 ,Ohio 800 系列等肺量计属此类型 。使 用此类型肺功能仪时 ,病人呼吸为密封式 ,易 发生交叉感染 。
1 肺功能试验的临床意义 肺功能检查是临床上胸肺疾病及呼吸生 理的重要检查内容 。对于早期检出肺 、气道 病变 ,鉴别呼吸困难的原因 ,诊断病变部位 , 评估疾病的病情严重度及其预后 ,评定药物 或其它治疗方法疗效 ,评估肺功能对手术的 耐受力或劳动强度耐受力及对危重病人的监 护等 ,肺功能检查均是必不可少的 。其结果 判断参考同种人群肺功能正常值 。 肺功能检查通常包括通气功能 、换气功能 、 呼吸调节功能及肺循环功能 。检查项目繁多 、 临床上最为常用的是通气功能检查 ,它可对大 多数胸肺疾病作出诊断 ;其它检查如弥散功能 测定 、闭合气量测定 、气道阻力测定 、膈肌功能 测定、运动心肺功能试验、气道反应性测定等 , 可对通气功能检查作不同程度的补充。此外 , 血气分析亦是肺功能检查的一部分 。 随着电子计算机技术的发展及临床对肺 功能评估认识的不断深入 ,肺功能检测已成 为临床肺部疾病三大诊断之一 (另二者为病 因诊断和病理诊断) 。 2 肺功能仪的组成部分 肺功能的试验仪器主要由肺量计 、气体 分析仪及压力计组成 ,通过它们的组合 ,可测 出肺功能的大多数指标 ,如肺容量 、通气 、弥 散 、呼吸肌肉力量 、氧耗量 、二氧化碳产生量 等 ,其中肺量计在肺功能检测中最为常用 。 2. 1 肺量计 : 肺量计是指用于测定肺容量的容量或流 量计的仪器 。按物理学定律 ,设某一瞬间的 体积流量为 Q ,一定时间 t 内流过的流体的
图 4 热敏式传感器示意图
Minato AS 系列肺功能机 , Gould 218X 系 列 ,SensormedicsVmax229 等属热敏式肺量计 。 2. 1. 2. 3 叶轮式和涡轮式流量计 (Vortex shed2 ding) 。 依据转动部件 (叶轮或涡轮) 的转动速度 与流体速度成正比的特性进行测量 。气流通 过时推动叶轮或涡轮转动 ,叶轮式采用光电调 调制原理 ,通过光电效应 ,涡轮式采用磁电调 制原理 ,通过磁电效应 ,把叶轮或涡轮的机械 转动信号转换成电信号输出 。由于叶轮的运 动惯性和转轴与轴承间摩擦力矩等因素 ,会影 响传感器的精度 。此种误差部分可通过电子 线路予以补偿 。但气流停止通过时涡轮仍可 有惯性转动而发生误差 ,且不能内定标 ,是其 缺点 。如 Chest Hi - 298 ,498 等肺功能机 。 2. 2 气体分析仪 目前常用的气体分析仪按其分析原理可 分为以下数种 : 2. 2. 1 物理气体分析仪 :如顺磁性氧浓度计 , 当氧分子通过一磁场时 ,在磁场力的作用下 ,
中国医疗器械杂志 1999 年第 23 卷第 5 期
图 3 Fleisch Pneumotachograph 压差式肺量计
Fleish pneumotachograph 可用于测量气体 流速 ,容量及呼吸频率 ,与其它分析仪结合可 作诸如残气量 、气体分布等测定 。 Grould 2800 ,Sensormedics 6200 ,Medgraphs FUKUDA ST - 350 , ST - 90 Multispiro - SX 系 列 ,Vitalograph 等肺功能仪属此类压差流量 计。 2. 1. 2. 2 热敏式流量计 (thermal flowmeter) : 此计依据热量传导与气体流量相关的原 理设计 (图 4) 。核心部分为温度依赖性电阻 元件 ,热线 ( hot wire) 或热珠 (thermistor bead) 接通电源时该元件加温 ,当气流通过热敏件 时可使其温度下降 ,并改变电阻 (热珠温度下
图 1 Collins 水封式肺量计示意图
由水将浮筒内外分隔 ,带有单向阀的管 道与盛有 CO2 吸收剂的容器相连 ,浮筒内与
病者以密封闭回路方式相连 。浮筒经一滑轮 悬拉 ,连至另一端与记录笔相连 ,记录笔可将 浮筒位置的改变记录于记纹鼓上 。当病人从 浮筒中吸气或呼气时记录笔垂直上下移动 , 移动的幅度取决于吸/ 呼气的容量大小 。 记纹鼓与一电机相连 ,电机转动时记纹 鼓转动的速度恒定 ,并可选择不同速度 ,由描 记笔水平记录 。此为描记图的时间轴 ,而描 记笔的垂直运动为插记图的容量轴 ,测试中 描记出时间 —容量曲线 ,从中可求出多个容 量及流速参数 。 2. 1. 1. 2 干式滚桶式肺量计 ( dry - rolling seal
肺功能仪检测原理与常用仪器
郑劲平 广州呼吸疾病研究所 (510120) The Principles and Apparatus of Pulmonary Function Testing
Zheng gingping Guanzhou Research Institute of Reapiratory Diseases
4 常用的肺功能仪[11 ] : 4. 1 Sensormedics 2200 型肺功能仪 (美国 Sen2 sormedics 公司) : 由热线式双流量测定计 ,多种气体红外 线分析仪组成 。可作通气功能 (包括流速/ 容 量环 、肺活量及最大通气量) 、一次呼吸法弥 散功能 、通气分布及闭合气量 、肺容量 (包括 残气量及功能残气量) 等测定 。并可通过内 呼吸弥散技术 (无需要屏气) ,作弥散功能及 心排量测定 。该系统可作气体浓度 、流量定 标 ,其中气体分析器可自动定标 。气体分析 仪可分析 N2 , CO , CH3 , C2H2 等 ,采样量少于 200ml ,这利于对呼出容量较少的对象如限制 型通气 功 能 障 碍 者 或 小 儿 病 者 作 呼 出 气 分 析 。系统响应时间为 200ms~300ms。 呼吸回路为单向无管道式设计 ,易于清 洁消毒 ,避免交叉感染 ,且死腔量少 (只有 130ml) 。 该系统支持软件丰富 ,可作数据统计及 预计值编辑等 。 技术指标 :流量计精度 ±0. 3 %或 0. 1l/ s , 量程 0. 1~16l/ s ,分辨率 0. 3l/ s ,容量精度 ±3 % 或 50ml ,气道通道阻力 < 1. 5cmH2Ol/ s (在 12l/ s 时) 。气体分析器精度 ±0. 006 % ,量程 :0. 00~
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