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        一種高準(zhǔn)確度呼吸節(jié)律發(fā)生器

        2021-03-12 13:39:14淮安市計(jì)量測試中心
        上海計(jì)量測試 2021年1期
        關(guān)鍵詞:節(jié)律電磁閥石英

        /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(hào)、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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)模擬呼吸時(shí)間比進(jìn)行計(jì)算,對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的緩沖輸出級(jí)。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??刂破髦饕獙?shí)現(xiàn)對(duì)二位三通電磁閥的氣體控制、對(duì)二位四通電磁閥的方向控制、對(duì)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(duì)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(jí)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)?。由于該氣體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(duì)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。

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