/淮安市計量測試中心

0 引言

多參數(shù)監(jiān)護儀是一種能夠對病人的多種基本生命體征參數(shù)進行實時監(jiān)測和記錄的儀器，目前是臨床醫(yī)學使用最為廣泛的病人生命體征監(jiān)測儀器，應用于醫(yī)院各個科室，可實時監(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JJG 1163-2019《多參數(shù)監(jiān)護儀》檢定規(guī)程的要求，多參數(shù)監(jiān)護儀主要對心電、脈搏血氧飽和度、無創(chuàng)血壓、呼末二氧化碳等參數(shù)進行檢測。呼末二氧化碳監(jiān)測功能一般較多地使用于手術室。

人體呼氣末期呼出（簡稱呼末）氣體中二氧化碳的濃度（呼氣周期內的峰值濃度），通常以分壓形式來表示，比如大氣壓強為1標準大氣壓760 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）時，38 mmHg呼末二氧化碳分壓相當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)學習慣用mmHg）或者體積的百分比%表示[1]。

多參數(shù)監(jiān)護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，產生不同呼吸頻率的儀器，選擇一定濃度的二氧化碳標準氣體，即可實現(xiàn)呼末二氧化碳濃度檢測。參照以上指標完成該呼吸節(jié)律發(fā)生器的設計。

1 呼吸節(jié)律發(fā)生器的總體設計要求和性能指標

本文介紹的呼吸節(jié)律發(fā)生器主要實現(xiàn)呼末二氧化碳濃度的模擬計算，實現(xiàn)對潮氣量、呼吸時間比等參數(shù)的控制，二氧化碳標準氣體采用外接鋼瓶供氣，采用軟管實現(xiàn)標準氣體和呼吸節(jié)律發(fā)生器的連接[2]。呼末二氧化碳濃度檢測參考標準為標準氣體，對5%體積百分比濃度標準二氧化碳進行多次測量，檢測呼末二氧化碳濃度，故呼吸節(jié)律發(fā)生器主要設計指標為呼吸頻率的實現(xiàn)。呼吸節(jié)律發(fā)生器的技術參數(shù)要求參照JJG 1163-2019和多參數(shù)監(jiān)護儀實際使用呼吸范圍，達到以下指標：

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

2 呼吸節(jié)律發(fā)生器的結構組成

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

圖1 呼吸節(jié)律發(fā)生器整體結構

2.1 時間控制單元

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)的時鐘脈沖發(fā)生器。該電路的石英晶體處于諧振狀態(tài)時傳輸量最大，這時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計出對應的緩沖輸出級。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，時間準確度為 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，呼吸一次時間約0.5 s，呼吸時間比t的取值在1∶3～3∶1中任選，可以計算出呼氣時間和吸氣時間，該石英晶體矩形波振蕩器能夠滿足設計要求。

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?？刂破髦饕獙崿F(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，一個線圈瞬間通電后關閉電源，閥打開，另一個線圈瞬間通電后關閉電源，閥關閉。二位三通電磁閥通過長時間保持關閉或打開狀態(tài)，使線圈使用壽命更長[5]。二位三通電磁閥有兩個位置三個通氣口，可分為常開式和常閉式，其中一個為進氣口（P），另兩個為出氣口（A和B）。當電磁閥得電時，P和A通，失電時，P和B通。

當模擬呼氣時，由氣瓶供氣，此時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。當模擬吸氣時，由氣體進氣口吸氣，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，一呼一吸為一個周期，氣體流向根據設定的呼吸頻率和呼吸時間比，計算出呼氣時間和吸氣時間，由控制器控制氣體流向，模擬呼吸[6]。

2.3 流量控制單元

該設計中模擬腔體體積相對固定，在設定的呼氣或吸氣時間內，氣體流量的多少取決于氣泵的功率大小，氣泵采用伺服電機驅動，根據成人模式或兒童模式選擇電機驅動轉速，呼吸的潮氣量如保持不變，則呼氣時間與氣體流速的乘積即為潮氣量。其實流量控制與流速控制只是為保證單位時間內潮氣量的值而計算流速的大小。

標準氣體：采用4 L鋼瓶或鋁瓶，因呼吸節(jié)律發(fā)生器采用低壓設計，應用時氣瓶需配有二級減壓閥，低壓至1.6 MPa以下，標準氣體濃度選擇5%體積百分比，平衡氣體選用氮氣。由于該氣體也用于檢測二氧化碳濃度，故該氣體需要經過檢測，賦予該氣體濃度值，應選擇帶標定證書的標準氣體。

3 檢測方法

選用標準氣體，用軟管將標準氣體減壓閥輸出口和呼吸節(jié)律發(fā)生器上標準氣體輸入口連接，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，將標準氣體減壓閥打開，緩慢調節(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)護儀二氧化碳監(jiān)測模塊顯示的呼吸頻率，計算示值誤差。檢測完畢后，先關閉總氣閥，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閉電源。

4 結語

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