一種高準(zhǔn)確度呼吸節(jié)律發(fā)生器

/淮安市計(jì)量測試中心

0 引言

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀是一種能夠?qū)Σ∪说亩喾N基本生命體征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄的儀器，目前是臨床醫(yī)學(xué)使用最為廣泛的病人生命體征監(jiān)測儀器，應(yīng)用于醫(yī)院各個(gè)科室，可實(shí)時(shí)監(jiān)測病人的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等參數(shù)。根據(jù)JJG 1163-2019《多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀》檢定規(guī)程的要求，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主要對心電、脈搏血氧飽和度、無創(chuàng)血壓、呼末二氧化碳等參數(shù)進(jìn)行檢測。呼末二氧化碳監(jiān)測功能一般較多地使用于手術(shù)室。

人體呼氣末期呼出（簡稱呼末）氣體中二氧化碳的濃度（呼氣周期內(nèi)的峰值濃度），通常以分壓形式來表示，比如大氣壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓760 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）時(shí)，38 mmHg呼末二氧化碳分壓相當(dāng)于呼末氣體中二氧化碳濃度為5%體積百分比。因此，呼末二氧化碳濃度用壓力單位kPa（臨床醫(yī)學(xué)習(xí)慣用mmHg）或者體積的百分比%表示[1]。

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的呼末二氧化碳濃度最大允許誤差為±（示值的8%+0.43%）體積百分比[1]。呼吸頻率的最大允許誤差每分鐘±2次。檢測該參數(shù)需要用到呼吸節(jié)律發(fā)生器，呼吸節(jié)律發(fā)生器是一種模擬人體呼吸過程，產(chǎn)生不同呼吸頻率的儀器，選擇一定濃度的二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體，即可實(shí)現(xiàn)呼末二氧化碳濃度檢測。參照以上指標(biāo)完成該呼吸節(jié)律發(fā)生器的設(shè)計(jì)。

1 呼吸節(jié)律發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)

本文介紹的呼吸節(jié)律發(fā)生器主要實(shí)現(xiàn)呼末二氧化碳濃度的模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對潮氣量、呼吸時(shí)間比等參數(shù)的控制，二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體采用外接鋼瓶供氣，采用軟管實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)氣體和呼吸節(jié)律發(fā)生器的連接[2]。呼末二氧化碳濃度檢測參考標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)氣體，對5%體積百分比濃度標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳進(jìn)行多次測量，檢測呼末二氧化碳濃度，故呼吸節(jié)律發(fā)生器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為呼吸頻率的實(shí)現(xiàn)。呼吸節(jié)律發(fā)生器的技術(shù)參數(shù)要求參照J(rèn)JG 1163-2019和多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀實(shí)際使用呼吸范圍，達(dá)到以下指標(biāo)：

測量范圍：每分鐘3～120次；最大允許誤差：每分鐘±1次；測量重復(fù)性：每分鐘±0.5次。

2 呼吸節(jié)律發(fā)生器的結(jié)構(gòu)組成

該呼吸節(jié)律發(fā)生器主要由中央控制器對模擬呼吸時(shí)間比進(jìn)行計(jì)算，對腔體內(nèi)氣體流速、流向、流量、時(shí)間進(jìn)行控制，使輸出氣體承載預(yù)定呼吸頻率，流量控制主要為不同病人模式選擇不同潮氣量，按鍵主要使人機(jī)交換，對呼吸參數(shù)進(jìn)行選擇[3]。整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 呼吸節(jié)律發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)

2.1 時(shí)間控制單元

石英晶體矩形波振蕩器電路主要用于比較新穎的數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器。該電路的石英晶體處于諧振狀態(tài)時(shí)傳輸量最大，這時(shí)便按石英晶體的諧振頻率振蕩。電路由石英晶體正弦波振蕩器按石英晶體振蕩器的輸出要求設(shè)計(jì)出對應(yīng)的緩沖輸出級。石英晶體振蕩器的典型電路如圖2所示，振蕩器的基極高頻接地，石英晶體連接集電極與基極，由于電容非常小，因此，石英晶體振蕩器的諧振電路與振蕩器之間耦合非常弱，可以大大提高諧振頻率穩(wěn)定度。石英晶體的諧振阻抗很高，故接入系數(shù)較小[4]。該電路可獲得100 kHz的矩形波輸出，時(shí)間準(zhǔn)確度為 10 μs。

圖2 石英晶體矩形波振蕩器電路

呼吸頻率按檢測需求最大值為每分鐘120次，呼吸一次時(shí)間約0.5 s，呼吸時(shí)間比t的取值在1∶3～3∶1中任選，可以計(jì)算出呼氣時(shí)間和吸氣時(shí)間，該石英晶體矩形波振蕩器能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 流向控制單元

氣體流向控制單元，主要由二位三通電磁閥[5]、二位四通電磁閥、調(diào)速氣泵、氣體接口和控制器組成，二位三通電磁閥的A出氣口與二位四通電磁閥的B出氣口相連。控制器主要實(shí)現(xiàn)對二位三通電磁閥的氣體控制、對二位四通電磁閥的方向控制、對調(diào)速氣泵的流速控制，呼吸節(jié)律發(fā)生器氣體流向如圖3所示。

圖3 呼吸節(jié)律發(fā)生器氣體流向

二位三通電磁閥為雙線圈控制，一個(gè)線圈瞬間通電后關(guān)閉電源，閥打開，另一個(gè)線圈瞬間通電后關(guān)閉電源，閥關(guān)閉。二位三通電磁閥通過長時(shí)間保持關(guān)閉或打開狀態(tài)，使線圈使用壽命更長[5]。二位三通電磁閥有兩個(gè)位置三個(gè)通氣口，可分為常開式和常閉式，其中一個(gè)為進(jìn)氣口（P），另兩個(gè)為出氣口（A和B）。當(dāng)電磁閥得電時(shí)，P和A通，失電時(shí)，P和B通。

當(dāng)模擬呼氣時(shí)，由氣瓶供氣，此時(shí)控制器控制二位四通電磁閥B-T通、P-A通，二位三通電磁閥P-A通，氣體由氣體出氣口排出。當(dāng)模擬吸氣時(shí)，由氣體進(jìn)氣口吸氣，二位三通電磁閥P-B通，氣體流至二位四通電磁閥P-B通，氣體排出，一呼一吸為一個(gè)周期，氣體流向根據(jù)設(shè)定的呼吸頻率和呼吸時(shí)間比，計(jì)算出呼氣時(shí)間和吸氣時(shí)間，由控制器控制氣體流向，模擬呼吸[6]。

2.3 流量控制單元

該設(shè)計(jì)中模擬腔體體積相對固定，在設(shè)定的呼氣或吸氣時(shí)間內(nèi)，氣體流量的多少取決于氣泵的功率大小，氣泵采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)成人模式或兒童模式選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，呼吸的潮氣量如保持不變，則呼氣時(shí)間與氣體流速的乘積即為潮氣量。其實(shí)流量控制與流速控制只是為保證單位時(shí)間內(nèi)潮氣量的值而計(jì)算流速的大小。

標(biāo)準(zhǔn)氣體：采用4 L鋼瓶或鋁瓶，因呼吸節(jié)律發(fā)生器采用低壓設(shè)計(jì)，應(yīng)用時(shí)氣瓶需配有二級減壓閥，低壓至1.6 MPa以下，標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度選擇5%體積百分比，平衡氣體選用氮?dú)狻Ｓ捎谠摎怏w也用于檢測二氧化碳濃度，故該氣體需要經(jīng)過檢測，賦予該氣體濃度值，應(yīng)選擇帶標(biāo)定證書的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

3 檢測方法

選用標(biāo)準(zhǔn)氣體，用軟管將標(biāo)準(zhǔn)氣體減壓閥輸出口和呼吸節(jié)律發(fā)生器上標(biāo)準(zhǔn)氣體輸入口連接，呼吸節(jié)律發(fā)生器的輸出口和被檢測儀器主流氣道適配器連接，將主流二氧化碳監(jiān)測探頭與主流氣道適配器連接后，將標(biāo)準(zhǔn)氣體減壓閥打開，緩慢調(diào)節(jié)使輸出壓力至0.03 MPa。

開啟呼吸節(jié)律發(fā)生器電源，進(jìn)入呼吸頻率選擇，依次選擇每分鐘10次、20次、30次、60次，記錄多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀二氧化碳監(jiān)測模塊顯示的呼吸頻率，計(jì)算示值誤差。檢測完畢后，先關(guān)閉總氣閥，呼吸節(jié)律發(fā)生器繼續(xù)測試示值誤差，將氣道中氣體釋放完成后再關(guān)閉電源。

4 結(jié)語

本文介紹的呼吸節(jié)律發(fā)生器用來檢測多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的呼末二氧化碳濃度，其主要性能指標(biāo)為：呼吸頻率每分鐘3～120次；最大允許誤差每分鐘±1次；測量重復(fù)性每分鐘±0.5次。外接二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體，操作方便?？赏ㄟ^呼吸頻率選擇，進(jìn)行模擬計(jì)算，對呼末二氧化碳濃度進(jìn)行基本誤差檢測，從而完成量值溯源。