麻醉气体的红外吸收光谱等效模拟方法

定 翔, 马雪然, 张 杨, 李文华, 周 凤

(1.中国计量科学研究院，北京 100029； 2.安徽养和医疗器械设备有限公司，安徽 安庆 231400)

1 引 言

麻醉机通过气体输送系统将麻醉气体输送至患者肺部从而达到术中全身麻醉的效果。麻醉气体浓度的准确性直接关系病人生命安全。红外吸收光谱技术广泛应用于气体浓度检测[1～3],也应用于临床麻醉气体浓度监测[4～7],如七氟醚、地氟醚、异氟醚、安氟醚、氟烷等。麻醉气体检测仪的校准和溯源依赖于使用标准气体[8,9]。但是,此类卤化物麻醉气体存在饱和蒸气压低和化学性质不稳定[10]等问题,导致配制标准麻醉气体的技术难度较大。原材料价格昂贵、配气过程费时费力等因素也进一步限制了标准气体的应用。目前,临床在用麻醉机的计量和质控主要只针对其通气参数,而麻醉气体浓度参数则一直缺少可溯源的检测方法,存在安全隐患。

针对红外吸收光谱技术测量麻醉气体浓度的技术特点,提出了一种光学等效模拟方法,利用红外滤光片模拟麻醉气体对红外光的吸收,滤光片的不同透过率对应麻醉气体的不同浓度,从而替代标准麻醉气体,对麻醉气体检测仪进行校准,实现对麻醉气体浓度的校准和溯源,解决临床在用麻醉机的关键计量问题。以临床常用的七氟醚为例,其常用浓度范围为0.5%～8%。针对七氟醚的临床测量需求,搭建了一套基于红外吸收光谱技术的麻醉气体浓度检测装置,制备了一组不同浓度的七氟醚气体,建立了七氟醚的吸光度和浓度关系曲线。制作了一组不同透过率的红外滤光片,通过实验测量了滤光片的等效浓度范围和重复性,并研究了环境温度变化对等效浓度的影响,验证了用红外滤光片模拟标准麻醉气体的可行性。

2 原理与方法

红外吸收光谱技术测量气体浓度的原理是基于朗伯-比尔定律:

A=lg(1/T)=kbc

(1)

式:A为吸光度;T为透过率;k为被测气体的吸收系数;b为光在被测气体中的光程;c为被测气体的物质的量浓度。临床中麻醉气体的浓度一般用体积分数表示,因此本文中的气体浓度均为体积分数,%。

图1是基于红外吸收光谱技术的气体浓度测量与校准原理示意图。在测量状态下,光源发出的红外光经过气室被气体部分吸收后被探测器接收。理想情况下,测量系统的结构固定后,探测器测到的光强变化只与被测气体的浓度有关。在校准状态下,将滤光片置入测量光谱,用来模拟麻醉气体对红外光的吸收。

图1 麻醉气体浓度测量与校准原理Fig.1 Principle of gas concentration measurement and calibration

临床常用的七氟醚、地氟醚等卤化物麻醉气体的主要红外吸收峰的波长都在7～14 μm范围内[11,12]。麻醉机输出麻醉气体的载气一般为氧气或空气,其主要成分在此波段范围内无吸收峰。因此,在测量单组分麻醉气体的情况下,可以利用红外滤光片模拟麻醉气体对红外光的吸收,不同的透过率对应不同的气体浓度。在未通入麻醉气体的情况下,可将滤光片置于图1所示位置。滤光片透过一定比例的红外光,可模拟标准麻醉气体对红外光的吸收。锗的红外透射波段为1.8～23 μm[12],常用于制作红外窗口和滤光片。通过在锗片表面镀增透或增反膜,可以改变滤光片的整体透过率,从而实现对不同气体浓度的模拟。

3 实验与结果

3.1 麻醉气体浓度与吸光度的关系

基于图1所示原理搭建了麻醉气体检测系统。以氮气为载气配制了体积分数为0%(纯氮气)、0.23%、0.94%、2.71%、4.41%、6.41%和8.50%的标准七氟醚气体。用麻醉气体检测系统检测七氟醚气体的吸光度。对气体浓度c与吸光度A的数据进行三次多项式拟合,测量结果和拟合曲线如图2所示。拟合方程为:

图2 七氟醚的吸光度与浓度关系曲线Fig.2 Relationship of absorbance and concentration of sevoflurane

c=40.86·A3+9.73·A2+15.33·A

(2)

拟合R-square值为0.999 98。表1所示为七氟醚浓度的拟合结果,七氟醚浓度残差不大于±0.03%,说明拟合方程可以较好地描述七氟醚浓度与吸光度之间的关系。根据朗伯-比尔定律,吸光度应随气体浓度线性变化;但实际上,朗伯-比尔定律仅适用于低浓度气体或溶液情况。从图2可以看出,随着被测气体浓度的升高,两者逐渐偏离线性关系。在实际应用中,必须针对七氟醚、地氟醚等不同种类的麻醉气体预先建立其吸光度与浓度关系曲线,再进行测量。

表1 七氟醚浓度拟合残差Tab.1 Fitting residuals of concentration of sevoflurane

3.2 红外滤光片的等效气体浓度

以锗为基底制作了透过率为36%～95%的一组滤光片,利用麻醉气体检测系统测量其吸光度。根据公式(2)计算滤光片吸光度值对应的七氟醚浓度值,结果如图3所示。滤光片36%～95%的透过率范围等效于七氟醚0.40%～8.40%的浓度范围,可以满足临床麻醉机麻醉气体浓度的检测需求。

图3 红外滤光片的等效气体浓度Fig.3 Equivalent gas concentration of infrared filters

根据实验数据计算,麻醉气体检测系统在测量体积分数为0%～8.50%的七氟醚气体时的浓度重复性误差约为0.02%,测量红外滤光片时的等效浓度重复性误差也小于0.02%,说明由滤光片本身引入的重复性误差可以忽略。

利用公式(1)将麻醉气体检测系统测得的滤光片吸光度值换算成实际透过率,与滤光片的名义透过率进行比较,结果如图4所示。可以看出,系统测得的实际透过率明显高于滤光片的名义透过率。导致该差异的原因可能是滤光片置入测量光路后,滤光片表面的反射光被气室窗口再次反射穿过滤光片到达探测器,导致探测器测得的实际光强高于用名义透过率计算得到的光强。当名义透过率接近0或100%时,多次反射效应的影响较弱,实际透过率接近名义透过率值。当名义透过率在40%～60%之间时,多次反射效应的影响较为明显,两者差异较大。

图4 红外滤光片的实际透过率与名义透过率Fig.4 Measured absorbance and nominal absorbance of infrared filters

3.3 红外滤光片的温度效应

锗材料的透过率可能随温度变化[13～15]。为了研究温度变化可能带来的影响,将麻醉气体检测系统和滤光片置于恒温箱中进行实验。麻醉机通常在手术室使用,而手术室环境温度一般在18～26 ℃之间。设定环境温度分别为17、20和30 ℃的情况下分别测量滤光片的等效浓度值,结果如表2所示。

表2 不同温度下红外滤光片的等效气体浓度Tab.2 Equivalent gas concentration of infrared filters at different temperatures (%)

根据相关标准中麻醉机的性能指标要求[16,17],麻醉气体检测仪的测量误差不大于±(0.1%+5%·c)(c为被测气体体积分数)即可满足需求。表2结果显示,滤光片的等效浓度最大变化量不大于0.02%+1.5%·c,远小于麻醉气体检测仪的允许误差范围,说明温度效应对滤光片等效浓度测量结果的影响可以忽略。

3.4 实验结果分析

通过实验可以建立气体浓度、吸光度和滤光片透过率之间的关系。实验结果表明,红外滤光片36%～95%的名义透过率范围对应七氟醚0.40%～8.40%的浓度范围。通过降低滤光片的透过率还可进一步提高其等效浓度。系统测量不同浓度七氟醚气体的重复性约为0.02%,测量红外滤光片等效浓度的重复性小于0.02%,证明滤光片本身不会引入额外的重复性误差。环境温度波动可能影响滤光片的透过率,进而改变其等效浓度。

实验结果表明,在17～30 ℃范围内,温度效应引起的滤光片等效浓度的最大变化量不大于0.02%+1.5%·c(c为被测气体体积分数),远小于对麻醉气体检测系统的允许误差要求。

实验结果表明,红外滤光片可用于模拟不同浓度七氟醚气体对红外光的吸收。滤光片的重复性和温度稳定性均满足要求。由于地氟醚、安氟醚、异氟醚、氟烷等卤化物的红外吸收特性与七氟醚相似且吸收峰位置接近,可以利用红外滤光片模拟这类麻醉气体对红外光的吸收。只需预先建立每种麻醉气体的浓度与滤光片吸光度之间的关系就可以实现对不同种类麻醉气体的等效模拟。经标定后,滤光片可等效于标准麻醉气体,用于开展麻醉气体红外吸收检测设备的日常校准,能避免制备标准麻醉气体的成本高昂、稳定性差、费时费力等问题,在麻醉机计量和质控领域具有良好的应用前景。

4 结 论

本文针对使用标准气体校准麻醉气体检测仪中存在的困难,提出了一种利用红外滤光片等效模拟标准麻醉气体的方法。搭建了麻醉气体检测系统,制备了体积分数为0.23%～8.50%的七氟醚气体,建立了气体浓度和吸光度关系曲线。设计和制作了透过率为36%～95%的一系列红外滤光片,测得其等效气体浓度范围为0.40%～8.40%,并研究了多次反射效应和温度效应对滤光片等效浓度的影响,验证了该方法可行且具有良好的稳定性。