吳思圻, 洪寶玉, 胡志雄, 馬雪然, 卞 昕, 劉文麗

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

氣腹機(jī)是腹腔內(nèi)窺鏡手術(shù)中用于建立和維持氣腹的專用設(shè)備。它主要是在腹腔鏡檢查和手術(shù)中,向腹腔內(nèi)灌注醫(yī)用二氧化碳?xì)怏w,用氣體將腹壁與腹腔內(nèi)臟器隔開(kāi),形成手術(shù)操作的視野空間。當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)能自動(dòng)停止進(jìn)氣,并維持一定量的氣體使腹腔內(nèi)一直處于預(yù)定的壓力充氣狀態(tài)。當(dāng)手術(shù)操作中腹腔內(nèi)氣壓降低時(shí),能自動(dòng)充氣維持手術(shù)所需的必要操作和觀察空間[1]。因此氣腹機(jī)的性能關(guān)系到病人的生命安全、腹腔鏡手術(shù)的順利進(jìn)行以及并發(fā)癥的發(fā)生。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,腹腔鏡手術(shù)對(duì)氣腹機(jī)的要求越來(lái)越高。我國(guó)每年有大量由于氣腹機(jī)發(fā)生故障,或者性能不穩(wěn)定發(fā)生意外的情況[2～4],出現(xiàn)癥狀時(shí)已非常緊急,患者隨時(shí)有生命危險(xiǎn)。目前,JJF 1892-2021氣腹機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范已經(jīng)發(fā)布,即將實(shí)施。因此,研制實(shí)用的氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置,為校準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)施提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)手段意義重大。已有諸多學(xué)者研究氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)的原理并進(jìn)行校準(zhǔn)裝置開(kāi)發(fā)[5～7],但都無(wú)法適用于新發(fā)布的校準(zhǔn)規(guī)范。

本文基于JJF 1892-2021氣腹機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范,研制氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置,采用自動(dòng)化測(cè)量程序?qū)崿F(xiàn)了氣腹機(jī)的智能化計(jì)量校準(zhǔn)。針對(duì)一款典型的氣腹機(jī),開(kāi)展了計(jì)量校準(zhǔn)檢測(cè)并進(jìn)行不確定度評(píng)定。

2 技術(shù)方案

2.1 氣腹機(jī)計(jì)量

氣腹機(jī)計(jì)量的參數(shù)涉及氣壓和流量[8],測(cè)量需采用患者腹腔模擬系統(tǒng)進(jìn)行,圖1給出了測(cè)量原理示意圖。測(cè)量氣壓時(shí),將氣腹機(jī)與患者腹腔模擬系統(tǒng)進(jìn)行連接,測(cè)量值通過(guò)氣壓表讀數(shù)獲得,與設(shè)定值和顯示值進(jìn)行比較即可得出氣壓示值誤差;流量測(cè)量時(shí),先設(shè)定氣腹機(jī)上的設(shè)置氣壓,再設(shè)定氣腹機(jī)上的設(shè)置流量,之后測(cè)量氣腹機(jī)在充氣過(guò)程中的實(shí)際流量。調(diào)節(jié)氣腹機(jī)上的設(shè)置流量,使其分別為設(shè)置流量調(diào)節(jié)范圍的最高值、中間值、最低值,取平均值,計(jì)算流量的誤差。

圖1 氣腹機(jī)參數(shù)測(cè)量原理示意圖Fig...1 Schematic diagram of parameter measurement principle of insufflators

2.2 硬件體系設(shè)計(jì)

2.2.1 模擬腹腔設(shè)計(jì)

普通氣球的彈性模量大約為0.225 L/Pa,彈性模量與實(shí)際腹腔差距較大,所以以普通氣球來(lái)模擬腹腔并不合適。故采用非彈性容器與液體一起構(gòu)造模擬腹腔,在常溫常壓下,二氧化碳和水的相容性并不影響試驗(yàn)結(jié)果,可以選用水作為模擬腹腔的液體[9]。模擬腹腔容器中的氣體體積記為V/L,氣體高度記為h/mm,氣壓記為p/Pa,容器內(nèi)表面橫截面積記為s/m2,則當(dāng)氣壓最大值為5 599.52 Pa時(shí),模擬腹腔容器的高度至少為58 cm[9]。

假定模擬腹腔容器高度為58 cm,可得容器的橫截面積s應(yīng)在92～276 cm2間。

2.2.2 硬件體系總體設(shè)計(jì)

本文研制的氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置模擬腹腔容器可以連接氣腹機(jī)氣路,接收和容納氣腹機(jī)的輸出氣體。精密流量計(jì)串聯(lián)在氣腹機(jī)和模擬腹腔容器的氣路接嘴間,實(shí)時(shí)顯示輸入模擬腹腔容器的氣體流量值;精密壓力表安裝在模擬腹腔容器上,用于測(cè)量容器內(nèi)部氣壓;放氣閥可實(shí)現(xiàn)保持模擬腹腔內(nèi)壓力或泄放壓力的功能,其放氣速度可調(diào);充氣泵用于在過(guò)壓報(bào)警測(cè)試時(shí)快速往模擬腹腔容器內(nèi)打氣。如圖1所示,模擬腹腔內(nèi)部空間分為3部份,充氣時(shí)氣體所占用體積只和編號(hào)為3的空間有關(guān)。正常狀態(tài)下,3部分水面高度平齊。通電工作后,1空間的水泵開(kāi)始運(yùn)行,將1空間內(nèi)的水壓入2空間,由于2和3空間相連通,這兩部分的水位將很快上漲,并在3空間形成V0=0,P0=0的模擬腹腔初始狀態(tài)。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置的軟件開(kāi)發(fā)基于Microsoft Windows平臺(tái),在National Instruments LabVlEW 2016環(huán)境下開(kāi)發(fā)[10,11]。

氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置的智能化校準(zhǔn)軟件由6個(gè)模塊組成:信息輸入模塊、儀器通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和文檔管理模塊。其中,信息輸入模塊主要實(shí)現(xiàn)確定被校設(shè)備品牌型號(hào)、校準(zhǔn)日期與校準(zhǔn)地點(diǎn)等的功能;儀器通訊模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置內(nèi)部設(shè)備與PC端的通訊;數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)控制校準(zhǔn)裝置內(nèi)部相關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和流量信號(hào)的采集;數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、分析,并計(jì)算示值誤差;數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示校準(zhǔn)內(nèi)容與校準(zhǔn)結(jié)果;文檔管理模塊生成原始記錄并保存[12～14]。氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置軟件系統(tǒng)功能模塊框圖如圖2所示。

圖2 裝置軟件功能模塊框圖Fig.2 Block diagram of device software function

用戶可通過(guò)信息輸入模塊輸入被校氣腹機(jī)的生產(chǎn)廠商、型號(hào)規(guī)格、客戶名稱、出廠編號(hào)、聯(lián)絡(luò)信息與溫濕度等必要信息。信息輸入模塊確定被校氣腹機(jī)的基本信息后,程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用儀器通訊模塊。儀器通訊模塊負(fù)責(zé)與氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置中的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通訊,如有設(shè)備未能被成功識(shí)別將會(huì)報(bào)錯(cuò)。數(shù)據(jù)采集模塊可按采集的信號(hào)類型分為壓力采集子模塊和流量采集子模塊。其中,壓力采集子模塊又可細(xì)分為氣壓設(shè)置值誤差采集、氣壓顯示值誤差采集和過(guò)壓報(bào)警氣壓差采集3個(gè)模塊;流量采集子模塊可細(xì)分為流量設(shè)置值誤差采集和流量顯示值誤差采集2個(gè)模塊。如圖3所示。與數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)應(yīng),數(shù)據(jù)處理模塊可分為壓力處理子模塊和流量處理子模塊。如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊Fig.3 Data acquisition module

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊Fig.4 Data processing module

軟件界面設(shè)計(jì)分為2部分:登陸界面和參數(shù)測(cè)量界面。登陸界面是用戶登陸后的初始界面,被校設(shè)備的所有相關(guān)信息都在登陸界面上輸入。參數(shù)測(cè)量界面為程序的測(cè)量界面,界面上通過(guò)圖形與數(shù)值方式顯示壓力與流量的瞬時(shí)值,以及相應(yīng)的采集按鈕和校準(zhǔn)結(jié)果表。文檔管理模塊可實(shí)現(xiàn)原始記錄的生成和保存。原始記錄保存為通用數(shù)據(jù)表格格式,記錄有校準(zhǔn)地點(diǎn)、送校單位、校準(zhǔn)日期等信息,命名為“送校單位+原始記錄+校準(zhǔn)日期”。文件的保存路徑為校準(zhǔn)裝置軟件所在路徑。整體實(shí)物裝置圖如圖5所示。

3 測(cè)試試驗(yàn)

3.1 氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置溯源

氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置上安裝的氣壓表,與標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)進(jìn)行比較測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)經(jīng)溯源,其擴(kuò)展不確定度為0.03 kPa(k=2)。比較試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,氣壓范圍在6 666.10 Pa以下時(shí),其測(cè)量最大誤差為29.33 Pa,滿足JJF 1892—2021氣腹機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范中氣壓測(cè)量?jī)x器最大允許誤差為±66.66 Pa的技術(shù)要求。流量計(jì)擴(kuò)展不確定度為Urel=0.62%(k=2),滿足JJF 1892—2021氣腹機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)要求[15]。

表1 比較測(cè)量結(jié)果Tab.1 Compare measurement results Pa

3.2 氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置功能性試驗(yàn)

以萊夫凱爾LC800型氣腹機(jī)為測(cè)試對(duì)象,按照J(rèn)JF 1892-2021氣腹機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范的操作要求進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn),規(guī)范對(duì)氣腹機(jī)的計(jì)量特性要求如表2所示。

表2 氣腹機(jī)計(jì)量特性Tab.2 Measurement characteristics of insufflators

LC800型氣腹機(jī)氣壓范圍為400～3 333Pa,因此在667,1 333,2 000,2 667,3 333 Pa對(duì)LC800型氣腹機(jī)進(jìn)行氣壓性能試驗(yàn)。設(shè)置值誤差測(cè)試結(jié)果如表3所示,氣壓顯示值誤差測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表3 氣腹機(jī)氣壓設(shè)置值誤差Tab.3 Air pressure setting error for insufflator Pa

表4 氣壓計(jì)氣壓顯示值誤差Tab.4 Error of air pressure display value Pa

注:氣壓計(jì)氣壓原始顯示值的單位是mmHg(1 mmHg=133.322 Pa),本表已將mmHg換算為Pa。

LC800型氣腹機(jī)流量范圍為0～42 L/min,因此選擇5、20、42 L/min三個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。流量設(shè)置值誤差測(cè)試結(jié)果如表5所示。流量顯示值誤差測(cè)試結(jié)果如表6所示。

過(guò)壓報(bào)警氣壓差標(biāo)稱值為533 Pa。首先設(shè)置氣腹機(jī)氣壓為2 000 Pa,然后快速加壓,得到氣壓計(jì)過(guò)壓報(bào)警實(shí)測(cè)值為2 571 Pa,過(guò)壓報(bào)警氣壓差實(shí)測(cè)值為570 Pa,過(guò)壓報(bào)警氣壓差誤差值為-37 Pa。

試驗(yàn)結(jié)果表明,研制的氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置功能正常,具有較好的可操作性,被檢氣腹機(jī)各項(xiàng)性能符合校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

表5 氣腹機(jī)流量設(shè)置值誤差Tab.5 Flow setting error L/min

表6 流量顯示值誤差Tab.6 Error of flow display value L/min

4 不確定度分析

4.1 氣壓設(shè)置值誤差測(cè)量結(jié)果不確定度分析

4.1.1 測(cè)量方法

將模擬腹腔通過(guò)測(cè)量用連接管路與氣壓測(cè)量?jī)x器連接,對(duì)模擬腹腔建立氣腹后,調(diào)節(jié)模擬腹腔的氣體開(kāi)關(guān),使模擬腹腔處于微漏氣的狀態(tài),測(cè)量氣腹保持過(guò)程中模擬腹腔內(nèi)的實(shí)際氣壓pr,調(diào)節(jié)氣腹機(jī)上的設(shè)置氣壓值,使設(shè)置氣壓值在標(biāo)稱范圍內(nèi)均勻取5個(gè)測(cè)量點(diǎn),每測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)3次,取平均值作為該點(diǎn)測(cè)量值[16,17]。

4.1.2 測(cè)量模型

4.1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式

4.1.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析與評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源有:測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度;氣壓計(jì)分辨力引入的不確定度;氣壓計(jì)本身引入的不確定度。

1) 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量uA1(Δps)

2) 氣壓計(jì)分辨力引入的不確定度分量uA2(Δps)

取uA1(Δps)、uA2(Δps)中較大者,得uA(Δps)=1.37 Pa。

3) 氣壓計(jì)本身引入的測(cè)量不確定度分量

由于不確定度分量uA(Δps)和uB(Δps)相互獨(dú)立不相關(guān),則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(Δps)為:

4.1.5 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取包含因子k=2,擴(kuò)展不確定度U(Δps)為:

U(Δps)=k×uc(Δps)=77.02 Pa。

4.2 流量顯示值誤差測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

設(shè)定氣腹機(jī)的氣壓設(shè)置值為1 999.5 Pa。在氣腹機(jī)流量設(shè)置值的標(biāo)稱范圍內(nèi)分別選取最高值、中間值、最低值或5 L/min(兩者取較大值)3個(gè)測(cè)量點(diǎn),進(jìn)行流量測(cè)量,同時(shí)讀取此刻氣腹機(jī)上的流量顯示值。每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次,取3次平均值作為該點(diǎn)測(cè)量值。則流量示值相對(duì)誤差為:

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源兩方面:流量計(jì)引入的不確定度;被測(cè)儀器引入的不確定度。

1)流量計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

取包含因子k=2,擴(kuò)展不確定度為:

U(Δqxr)=kuc(Δqxr)=5.98%

5 結(jié) 論

采用系列設(shè)備開(kāi)展了氣腹機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)的研究,重點(diǎn)論述模擬腹腔的設(shè)計(jì)與氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置的軟硬件功能架構(gòu),基于虛擬儀器的自動(dòng)化測(cè)量程序?qū)崿F(xiàn)了氣腹機(jī)的智能化計(jì)量校準(zhǔn)。驗(yàn)證了氣腹機(jī)計(jì)量檢測(cè)裝置的功能指標(biāo),針對(duì)一款典型的氣腹機(jī),開(kāi)展計(jì)量校準(zhǔn)檢測(cè)并進(jìn)行不確定度評(píng)定,為校準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。