基于气体张力法的血气分析仪比对分析

崔宏恩，张超，夏炎，司启益，张新白

江苏省计量科学研究院，江苏 南京 210023

引言

血气及酸碱分析是临床重症监护重要检测项目之一，对监测患者酸碱平衡、维持和支撑心肺功能受损患者的生命安全至关重要[1]。在新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案中血气分析已经成为一般治疗的必要手段，用于感染患者危重程度的鉴别诊断与患者治疗的监测；同时，在进行机械通气治疗时，可根据密切监测的血气分析结果来调整呼吸机设置[2-3]。在这些分析中测量二氧化碳分压（pCO2）和氧分压（pO2）的电极传感器在保持准确性和可靠性方面存在固有问题，同时血气分析仪的操作者大都为非检验技术人员，使得血气分析仪的应用非常容易出现问题，尤其是在质量控制方面[4]。由于临床血气样本的不稳定性和不可复测性，使得其一致性研究存在一些困难。目前，血气分析仪的性能验证或室间质评所用样品多为水溶液基质的质控品，但由于基质效应的存在，无法在所有检测系统适用，导致其性能验证或室间质评的结果范围变化比较大，无法真实反映血气分析仪的性能[5]。

计量溯源能使检测结果溯源到高级别的参考系统，是保证终端实验室检测结果准确可比、实现标准化的重要途径[6]。为了全面、真实地了解血气分析仪pCO2和pO2量值的真实水平，考察血气分析仪检测结果的可靠性，确保pCO2和pO2量值的准确可靠和统一，本研究根据国际临床化学和实验室医学联盟相关文件要求，使用新鲜血液建立了pCO2和pO2参考方法（气体张力法）[7]，基于气体张力法对市场上主流血气分析仪的pCO2和pO2量值进行了比对，并以不同标准规定的允差值对结果进行了判定和合理性分析，并以此为基础确定了《多功能血气分析仪校准规范》中pCO2和pO2的计量特性指标。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 仪器与试剂

（1）标准气源：氮中二氧化碳、氧混合气体标准物质 GBW08159，CO2：5.61%/O2：12.5%/N2：81.89%，Ur=1.0%（k=2），中国计量科学研究院生产。

（2）自主研发的张力平衡仪：进行气体分压平衡的仪器，为开放系统，使用已知组成的气体混合物流过系统，在流体样品和气体混合物中产生相同的气体分压，张力平衡仪通常由标准气体混合物、加湿室、平衡室和恒温控制模块（温度控制器和加热器）等组成，加湿室和平衡室置于恒温控制模块中进行恒温；恒温控制模块：0～50℃，最大允许误差：±0.1 ℃，经过计量校准。

（3）8台不同型号的血气分析仪，包括干式和湿式仪器原理，覆盖了国内外主要的生产厂商（如RADIOMETER、Werfen Group、NOVA、Roche、SIEMENS、Abbott、PERLONG和CORNLEY），使用年限从1年、2年、3年、4年、5年到8年不等。

（4）DYM3空盒气压表，宁波鄞州姜山玻璃仪器仪表厂生产，测量范围（810～1050）hPa，U=0.3 hPa（k=2），经过计量校准[8-9]。

1.1.2 其他

（1）样品：新鲜静脉全血样本，从健康志愿者抽取到肝素化收集管储存在冰箱中。

（2）实验用去离子水水质≤1.0 μS/cm；实验用移液器经过计量校准[8-9]。

1.2 方法

1.2.1 测量方法

采用氮中二氧化碳、氧混合气体标准物质GBW08159通过气体张力法在37 ℃下充分溶解于全血中，以其气体分压值作为参考值。使用张力平衡仪（图1）时，典型的测试顺序如下：① 将一定量的水置于张力平衡仪加湿室中；② 在其平衡室中装入所需量的新鲜静脉全血（最小体积为1 mL）；③ 将加湿室和平衡室置于恒温控制模块，使标准气体混合物在（37.0±0.1）℃下预热；④ 氮中二氧化碳、氧混合气体标准物质在相同温度和气压下流经加湿室时通过水鼓泡使水蒸气饱和后进入平衡室（加湿室和平衡室之间有一层防水透气膜）；⑤ 进入平衡室的氮中二氧化碳、氧混合气体标准物质鼓泡通过样品一段时间完全实现液体和气体之间的气体分压平衡；⑥ 过量气体会从平衡室中排出，经过温度和张力平衡后的样品用于各型号血气分析仪的准确度测试。

图1 使用张力平衡仪测试顺序示意图

用于pCO2和pO2的氮中二氧化碳和氧混合气体标准物质为干燥气体，其在经过温度和张力平衡过程中进行了加湿，气体分压值（pCO2/pO2）通过公式(1)～(2)进行计算：

其中，F是干燥气体混合物中的气体百分浓度，pTotal是环境中的大气压力（mmHg），pH2O是平衡温度下的水蒸气压（mmHg）。公式(1)和(2)是从道尔顿分压定律和溶解度的亨利定律导出，虽然仅严格适用于理想气体，但也适用于接近或低于大气压的实际气体。

通过公式(3)中精确估计pH2O，其来自Smithsonian Metrological Table 和 Geigy Scientific Tables[10-11]，37 ℃时计算出pH2O约为47 mmHg。

其中，T表示温度，以℃为单位。

同时记录实验室大气压数据，使用各型号血气分析仪对上述定值全血样本进行重复测试3次，记录实验结果[8-9]。

1.2.2 统计学分析

根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》提供的方法，对定值全血的pCO2和pO2测量结果进行不确定度评定[12]，不确定度来源主要包括测量重复性、气体标准物质、大气压测量误差和张力平衡仪温度控制偏差。

比对结果采用允差进行判断，当|Xlab-Xref|≤|W|，偏差与允差的比值|E|≤1时，结果判定为满意；当|Xlab-Xref|>|W|，偏差与允差的比值|E|>1时，结果为判定为不满意[13]。其中，Xlab为参比仪器的测量平均值，mmHg；Xref为参考值，mmHg；W为标准规定的允差值，mmHg。各标准规定的允差值（取大者）如表1所示[14-15]。

表1 不同标准规定的pCO2和pO2允差值（取大者）

2 结果

大气压测量结果平均为1007 hPa，根据公式(1)～(3)计算的pCO2和pO2参考值及使用8台血气分析仪比对的pCO2和pO2测量结果和测量不确定度评定结果表2所示，通过1.2.2中的允差判定公式计算的不同标准下的比对结果E值判定如表3所示。根据表1中不同标准的允差值判定原则，当pCO2的参考值为39.8 mmHg时，《血气分析仪》医药行业标准、《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》和《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》的允差最大值均为±5 mmHg；当pO2的参考值为88.8 mmHg时，《血气分析仪》医药行业标准的允差最大值为±5 mmHg，《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》的允差最大者为±7.1 mmHg（±8%），《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》的允差最大值为±15 mmHg，见图2～3。

表2 pCO2和pO2测量结果（mmHg）

表3 比对结果及判定表

通过图2～3和表2可知，根据JJF 1094-2016《测量仪器特性评定》的要求，在《血气分析仪》医药行业标准、《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》和《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》体系下，除了5号参比仪器的pO2测量不确定度之外，其他的参比仪器的pCO2和pO2测量不确定度均满足U≤1/3MPEV（其中U为测量不确定度，MPEV为最大允许误差的绝对值），可忽略测量不确定度的影响；在《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》和《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》的体系下由于5号参比仪器的pO2测量结果均满足|Xlab-Xref|≤MPEV-U，其测量结果判定为合格；在《血气分析仪》医药行业标准体系下由于5号参比仪器的pO2测量结果满足MPEV-U<|Xlab- Xref|

图2 参比仪器pCO2测量结果和测量不确定度分布图

图3 参比仪器pO2测量结果和测量不确定度分布图

表3可以看出，在《血气分析仪》医药行业标准、《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》和《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》体系下各个参比仪器的pCO2比对结果均符合要求，证明目前市场上血气分析仪pCO2的量值是统一的；在《血气分析仪》医药行业标准体系下3号和6号参比仪器的pO2比对结果不符合要求；在《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》体系下6号参比仪器的pO2比对结果不符合要求，其中3号参比仪器的pO2比对结果虽然符合E≤1的要求，但是已达到临界值，相比其他参比仪器的结果还是偏差明显；在《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》体系下各个参比仪器的pO2比对结果均符合要求。

3 讨论

虽然血气分析仪需要经过注册检验和出厂检验合格后才能上市，但由于后续使用过程中各种物理元器件的损耗和电极老化等多种原因，检验合格的医疗器械并不能保证后续使用过程中输出的数据一直是准确有效和安全可靠的。为了加强医疗器械的过程监管，《中华人民共和国计量法》第九条指出，用于贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测方面的列入强制检定目录的工作计量器具，实行强制检定[17]，血气分析仪曾是被列入国家强制检定目录的分析仪器，但由于未能在国内建立血气分析仪的pCO2和pO2溯源的有效方法，其强检工作一直没有开展起来[8]；《医疗器械监督管理条例》第五十条明确指出，医疗器械使用单位对需要定期检查、检验、校准、保养、维护的医疗器械，应当按照产品说明书的要求进行检查、检验、校准、保养、维护并予以记录，及时进行分析、评估，确保医疗器械处于良好状态，保障使用质量[18]；ISO/IDS 15189:2012《医学实验室质量和能力认可准则》中针对仪器设备的计量校准是必须的[19]。目前国内各级计量机构将依据计量技术规范针对医疗器械开展计量校准或检定作为其过程监管中的重要组成部分，对检测中发现的不合格仪器会通知使用单位及时联系生产厂家进行维修或调整，之后再进行复测，以尽可能地维护使用中的设备安全有效可靠。故通过比对分析确定《多功能血气分析仪校准规范》中pCO2和pO2的计量特性指标，填补国内血气分析仪计量行业标准的空白，有助于加强对血气分析仪的过程监管，促进血气分析仪pCO2和pO2的量值溯源和标准化，为精准诊疗提供保障。

目前，国内血气分析仪市场份额90%为进口品牌，国产血气分析仪只占据很少一部分，选择的8台血气分析仪覆盖了国内急诊抢救、ICU、手术室和检验科等科室常用的型号，考虑到同一个厂家生产的血气分析仪不同型号间的量值是相对一致的，每个厂家选择一个常用的型号为代表，所选择的样品综合考虑了在用血气分析仪的使用年限状况，兼顾了干式和湿式仪器原理，包含了进口和国产品牌的绝大部分血气分析仪生产厂家，在一定程度上能够代表国内血气分析仪整体的在用情况。

临床上采用质控品结合患者样本开展血气分析仪比对和室间质评，由于质控品缺乏溯源性，靶值范围变化比较大，无法准确获得被测血气分析仪的真实量值，故基于质控品的测试均是针对血气分析仪的一致性评价[4-5,20-21]。本文采用的气体张力法是血气分析仪pCO2和pO2量值溯源的金标准，能够给出标准值，不确定度较小，本研究是首次使用参考方法在国内开展血气分析仪pCO2和pO2的量值比对分析。基于此，笔者主持了《多功能血气分析仪校准规范》计量行业标准的制定，作为主要起草人之一参与了《血气分析仪》医药行业标准的制定。《血气分析仪》医药行业标准的技术指标比较高是因为其作为我国血气分析仪注册检验的准入标准，需要从源头对血气分析仪的质量进行把关，从严处理，同时在注册检验时检验的仪器本身可能是精挑细选的，受测试环境及操作人员等的影响相对较小。而《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》和《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》对血气分析仪的技术指标相对宽松是因为其针对不同的临床在用血气分析仪进行室间质评时，不同实验室所用仪器本身也不是精挑细选的，操作人员多为临床护理人员，质控意识及相关知识缺乏，受到不同实验室环境条件和操作人员等因素影响较大，以满足临床最低要求为准。

从测试结果看，在不同标准体系下各个参比仪器的pCO2比对结果均符合要求，而各个参比仪器的pO2比对结果会有不符合要求的情况出现，主要是因为pO2受环境温度和空气中氧气的干扰影响比较大[22-24]，《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》对血气分析仪pO2的技术要求从最早的±3 SD（标准偏差）到2019年修订为±15 mmHg或±15%（取大者）已经是巨大的进步，《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》对血气分析仪pO2的技术要求也从2016年的±2 SD到2017年修订为±8%。考虑到报批中的《血气分析仪》医药行业标准还没开始实施，国产血气分析仪与进口血气分析仪的技术相比存在一定的代差，国产血气分析仪在国内血气分析领域也占有一定的市场比例，也参加卫健委临床检验中心组织的室间质评，《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》最早是参考《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》制定，近年来针对个别指标没有进行同步更新，同时基于本次使用血气参考方法的比对分析结果，目前《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》比《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》对血气分析仪的技术指标高出很多，笔者觉得不甚合理。与此同时，虽然在《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》体系下各个参比仪器的pCO2和pO2比对结果均符合要求，但是本研究使用气体张力法制备的是代表正常血气pCO2和pO2值的参考样品，没有制备代表呼吸性酸中毒和呼吸性碱中毒等异常血气pCO2和pO2值的参考样品做进一步的比对分析。鉴于《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》的制修订是经过大量仪器试验验证及科学统计的基础上，同时本研究使用的样品数量毕竟有限，故在各参比仪器的线性范围内，制备代表异常血气pCO2和pO2值的参考样品分析时也可能会出现一定比例不符合《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》中技术指标的情况。

综上分析，《血气分析仪》医药行业标准和《卫健委临床检验中心室间质量评价标准》规定的技术指标与我国临床在用血气分析仪的技术发展现状明显不符，考虑到校准规范制定时国家鼓励采用国际标准和国外先进标准，故选择《CLIA’88 能力验证计划的分析质量要求》规定的pCO2为±5 mmHg或±8%（取大者）和pO2为±15 mmHg或±15%（取大者）作为计量特性指标比较符合国内血气分析仪的技术发展现状。

4 结论

本文基于气体张力法比对分析结果验证血气分析仪pCO2和pO2的计量特性指标比较符合国内血气分析仪的技术发展现状，可为《多功能血气分析仪校准规范》的制定提供有益参考，能够有效促进血气分析仪pCO2和pO2的量值溯源和标准化。另外本研究使用的样品数量有限，未制备代表异常血气pCO2和pO2值的参考样品做进一步比对分析，未来会继续完善相关研究；同时文章中气体张力法使用的是从健康志愿者抽取的新鲜静脉全血样本，为了后续相关标准的实施和推广，还可做临床剩余患者血液样本和其他人造血样本替代的可行性分析，至于其可行性如何尚需进一步的研究验证。