模仿呼吸时肺通气试验装置的研制

严 甜 袁越阳

(江苏省医疗器械检验所1,江苏 南京 225300;苏州市凯迪医学科技有限公司2，江苏 苏州 215163)

模仿呼吸时肺通气试验装置的研制

严 甜1袁越阳2

(江苏省医疗器械检验所1,江苏 南京 225300;苏州市凯迪医学科技有限公司2，江苏 苏州 215163)

机械通气是支持和拯救患者生命的重要方式之一。在实行通气临床应用之前，对设备的参数和性能的测定是保证试验更具安全性和可行性的前提。为了建立能够模仿呼吸时肺通气情况的装置来替代活体肺通气作为通气试验对象，以动物肺为肺通气模型核心，采用数据处理和驱动控制，研制了一款通过驱动针筒活塞模仿呼吸肌做功产生吸、呼气流对肺通气模型进行通气的试验装置。通过比较新鲜羊肺为肺通气模型模仿呼吸试验输出的气流波形与实测人体呼吸气流波形，证明了所建试验装置的通气气流波形特征与实测人体呼吸气流波形特征相一致。

传感器 医疗器械 机械通气 肺通气 通气模型 标定 光电隔音 流量

0 引言

随着人类大气环境受到尘埃、废气等污染，有关呼吸道疾病的发病率逐年上升。据统计，受到我国自然环境变化和人口老龄化等因素的影响，每年不同程度的呼吸疾病患者大约有8 000万。而在治疗这类疾病(如尘肺病、COPD、ARDS等)时，机械通气(主要是呼吸机)受到广大医务人员和患者的关注和青睐[1-2]。对机械通气设备和通气模式的市场需求，也不断激发研究人员、生产厂家为之投入更多精力进行研究、开发和生产。与此同时，对通气设备的评估方式和测定方法也有更高的要求。

目前，在临床和应用各种机械通气设备之前，评估和测定各种通气时主要采用的装置是机械模拟肺[3-5]。机械模拟肺采用一种具有弹性的、类似气瓤或风箱的部件来替代活体肺，这是实现模仿呼吸通气功能的关键部分。这种替代肺的部件通常只能线性地反映各种呼吸参数，如气道阻力、肺顺应性等。而这类参数在实际活体上往往呈现出非线性的动态变化[6-7]。为了更加真实地反映活体呼吸特征，在测定中既要提高对通气设备输出的要求，又要避免直接活体临床带来的风险，采用新鲜动物肺来模仿呼吸肺通气活动并对通气设备进行测试验证，不失为一种行之有效的方式。为此，提出并设计了一种以动物尸源性肺为肺通气物理模型的试验装置。

1 试验方式

试验平台主要包括信号采集和处理装置、肺通气物理模型、能模仿呼吸肌做功的针筒及活塞驱动装置。试验平台结构如图1所示。

系统实现模仿呼吸肺通气的核心部件是肺通气物理模型。在人头模具内置入模仿人体上气道的弯曲普通树脂呼吸管路(管路长约为30 cm，直径为22 mm，内置一气阻，在流量为20 L/min时气阻值约为2 cmH2O，接近人体上气道气阻[8])，该呼吸管路向下伸入密封的塑料桶内并通过转接头与动物肺相连。该转接头内含有压力传感器和流量传感器，用于测量肺部的气流和气压。利用密封的塑料桶(压力为40 cmH2O时，漏气流<0.5 L/min)来模仿具有支撑作用的胸腔。桶壁上开孔通过另一根标准呼吸管路(长约为1.8 m，直径为22 mm)与活塞式针筒(最大容量为2 L)输出口相连接。通过活塞运动来模仿呼吸做功并产生“胸腔”内与外部大气的压力差。压力和流量采样管(橡胶软管，孔径为2 mm)通过置于桶壁的采样接头与气道内传感器输出口和“胸腔”相通。

图1 试验平台结构图

Fig.1 Diagram of experimental platform

模拟呼吸操作流程如图2所示。吸气时，向外拉活塞，抽取“胸腔”内的空气使“胸腔”内形成相对外部大气的负压。在此负压驱动下，气流被吸入肺部，且直到负压力消失处于吸气末状态。呼气时，松开活塞或向内轻推回活塞(平衡活塞与筒壁之间的摩擦)，肺在自身弹性力的作用下逐渐恢复原状并进入待吸气前状态，此时活塞内空气被排入“胸腔”，使“胸腔”内负压逐渐升高到不低于外部大气压，从而确保肺内空气排入大气。

图2 模拟呼吸操作流程图

Fig.2 Process of breathing simulation

当该压力差消失后，进入呼气末状态等待下一个呼吸循环[9]。活塞驱动装置可以采用人工手动驱动或电控驱动。前者便于模仿实际呼吸时的随意性；而后者主要是在交流电机的驱动下，通过减速齿轮箱和力矩传动机构来驱动活塞运动来模仿稳定的肺通气。

多路数据采集盒内主要包括信号处理电路、与外部电脑进行数据通信的USB接口及驱动、电源处理电路。信号处理电路如图3所示。传感器(气压传感器和流量传感器)把收集到的气流、气压信号转换为模拟电信号；模拟信号通过信号整形、滤波后，经模数转换电路转换为数字信号；利用数字信号只有高低电平的特点，采用光电隔离技术，保证数据处理器得到的数字信号完全与传感器端的模拟信号隔离；数据经处理器运算处理后，通过USB接口上传到个人计算机等设备。

图3 多路信号处理电路框图

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

2 参数标定

从传感器上传的数据在没有进行数据分析处理之前，只是简单的电压信号，并无实际意义，不能真实地反映呼吸气流的流量和压力。因此，采用TSI公司生产的TSI-4040型流量计来标定装置的流量，并结合台湾衡欣公司生产的AZ8252数字压力计，来标定装置的压力。图4和图5分别是流量传感器和压力传感器上传的电压值及与之相对应的实际流量和压力曲线图(相对大气压)。

图4 流量-电压标定曲线图

Fig.4 Flow-voltage calibration curve

图5 压力-电压标定曲线图

Fig.5 Pressure-voltage calibration curve

对图4和图5中数据进行拟合，可得流量Q、气压P与传感器输出电压值U之间的数学关系满足式(1)(拟合优度R>0.99)。

(1)

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

3 试验与分析

在试验装置的“胸腔”内，分别置入替代左右两肺的2个羊肺(记为1#，羊的质量约为30 kg)、2个标准气瓤(1 L，厂家标定顺应性为20 ml/cmH2O)或另外2个羊肺(记为2#，羊的质量约为25 kg)后，用手缓慢推拉或电控驱动针筒活塞模仿呼吸动作。

在推拉活塞做功的情况下，产生的肺通气量和胸内压的相关曲线试验结果如图6所示。

图6 试验结果图

Fig.6 Test results

图6中,数据采样频率为50 Hz。试验结果表明，标准气瓤在更大压力作用下却产生比羊肺更小的肺通气量；采用气瓤时的通气量-胸内压曲线也比采用羊肺时的更趋近于线性变化。

图7为利用2#羊肺和电控驱动活塞模仿正常人呼吸时所测得的呼吸气流曲线。通过驱动活塞来控制“胸腔”内的压力，满足式(2)的要求[10]。

(2)

式中：Pmus为在t时刻驱动活塞所产生的胸内压；T、TI分别为呼吸周期和吸气时间；Pmax为最大呼吸用力所对应的胸内压；λ为待定时间常数。当试验取Pmax≈23 cmH2O、TI=1.8 s、T=3.75 s(呼吸频率16次/min)和λ=0.8 s时，所得图7(b)中实线所示的模仿呼吸气流曲线与虚线所示的正常成人的平均特征曲线(数据来源12个健康成年人：体重为50～75 kg，身高为155～180 cm，年龄为20～60岁)相近，且两者相似度[11]大于0.95。

图7 电控模仿呼吸输出曲线图

Fig.7 The simulated respiratory flow output

under motor driver

目前，用于机械通气设备性能评价和医务人员技能学习与培训的设备主要还是采用类似于Ingmar Medical的ASL5000之类的机械模拟肺。它们往往是通过对具有一定弹性(或顺应性)的气瓤进行充气、放气来实现其“呼吸通气”功能。根据以上试验结果，采用所述装置和动物新鲜肺来模仿呼吸通气功能更能体现肺通气的特征。另外，由于装置更接近真实呼吸肺通气的优点，用其检测机械通气设备(如呼吸机)，将有利于提高对机械通气设备输出参数和性能的验证。

4 结束语

本文设计了一种试验用肺通气试验装置，并采用标准的气瓤(夹板肺)和新鲜羊肺为试验对象，模仿了呼吸时的肺通气试验。试验所得的“呼吸”气流波形特征与实际测试的呼吸气流波形之间的相似度大于95%。该装置为今后的通气试验提供了更接近于采用活体进行通气试验的条件。

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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

严甜(1988—)，女，2010年毕业于南京邮电大学生物医学工程专业，获学士学位，工程师；主要从事医疗器械测试与测试装置及方法的研究。

TH6;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612010

修改稿收到日期：2016-03-07。