定 翔, 馬雪然, 張 楊, 李文華, 周 鳳

(1.中國計量科學研究院，北京 100029； 2.安徽養(yǎng)和醫(yī)療器械設備有限公司，安徽 安慶 231400)

1 引 言

麻醉機通過氣體輸送系統(tǒng)將麻醉氣體輸送至患者肺部從而達到術中全身麻醉的效果。麻醉氣體濃度的準確性直接關系病人生命安全。紅外吸收光譜技術廣泛應用于氣體濃度檢測[1～3],也應用于臨床麻醉氣體濃度監(jiān)測[4～7],如七氟醚、地氟醚、異氟醚、安氟醚、氟烷等。麻醉氣體檢測儀的校準和溯源依賴于使用標準氣體[8,9]。但是,此類鹵化物麻醉氣體存在飽和蒸氣壓低和化學性質不穩(wěn)定[10]等問題,導致配制標準麻醉氣體的技術難度較大。原材料價格昂貴、配氣過程費時費力等因素也進一步限制了標準氣體的應用。目前,臨床在用麻醉機的計量和質控主要只針對其通氣參數,而麻醉氣體濃度參數則一直缺少可溯源的檢測方法,存在安全隱患。

針對紅外吸收光譜技術測量麻醉氣體濃度的技術特點,提出了一種光學等效模擬方法,利用紅外濾光片模擬麻醉氣體對紅外光的吸收,濾光片的不同透過率對應麻醉氣體的不同濃度,從而替代標準麻醉氣體,對麻醉氣體檢測儀進行校準,實現對麻醉氣體濃度的校準和溯源,解決臨床在用麻醉機的關鍵計量問題。以臨床常用的七氟醚為例,其常用濃度范圍為0.5%～8%。針對七氟醚的臨床測量需求,搭建了一套基于紅外吸收光譜技術的麻醉氣體濃度檢測裝置,制備了一組不同濃度的七氟醚氣體,建立了七氟醚的吸光度和濃度關系曲線。制作了一組不同透過率的紅外濾光片,通過實驗測量了濾光片的等效濃度范圍和重復性,并研究了環(huán)境溫度變化對等效濃度的影響,驗證了用紅外濾光片模擬標準麻醉氣體的可行性。

2 原理與方法

紅外吸收光譜技術測量氣體濃度的原理是基于朗伯-比爾定律:

A=lg(1/T)=kbc

(1)

式:A為吸光度;T為透過率;k為被測氣體的吸收系數;b為光在被測氣體中的光程;c為被測氣體的物質的量濃度。臨床中麻醉氣體的濃度一般用體積分數表示,因此本文中的氣體濃度均為體積分數,%。

圖1是基于紅外吸收光譜技術的氣體濃度測量與校準原理示意圖。在測量狀態(tài)下,光源發(fā)出的紅外光經過氣室被氣體部分吸收后被探測器接收。理想情況下,測量系統(tǒng)的結構固定后,探測器測到的光強變化只與被測氣體的濃度有關。在校準狀態(tài)下,將濾光片置入測量光譜,用來模擬麻醉氣體對紅外光的吸收。

圖1 麻醉氣體濃度測量與校準原理Fig.1 Principle of gas concentration measurement and calibration

臨床常用的七氟醚、地氟醚等鹵化物麻醉氣體的主要紅外吸收峰的波長都在7～14 μm范圍內[11,12]。麻醉機輸出麻醉氣體的載氣一般為氧氣或空氣,其主要成分在此波段范圍內無吸收峰。因此,在測量單組分麻醉氣體的情況下,可以利用紅外濾光片模擬麻醉氣體對紅外光的吸收,不同的透過率對應不同的氣體濃度。在未通入麻醉氣體的情況下,可將濾光片置于圖1所示位置。濾光片透過一定比例的紅外光,可模擬標準麻醉氣體對紅外光的吸收。鍺的紅外透射波段為1.8～23 μm[12],常用于制作紅外窗口和濾光片。通過在鍺片表面鍍增透或增反膜,可以改變?yōu)V光片的整體透過率,從而實現對不同氣體濃度的模擬。

3 實驗與結果

3.1 麻醉氣體濃度與吸光度的關系

基于圖1所示原理搭建了麻醉氣體檢測系統(tǒng)。以氮氣為載氣配制了體積分數為0%(純氮氣)、0.23%、0.94%、2.71%、4.41%、6.41%和8.50%的標準七氟醚氣體。用麻醉氣體檢測系統(tǒng)檢測七氟醚氣體的吸光度。對氣體濃度c與吸光度A的數據進行三次多項式擬合,測量結果和擬合曲線如圖2所示。擬合方程為:

圖2 七氟醚的吸光度與濃度關系曲線Fig.2 Relationship of absorbance and concentration of sevoflurane

c=40.86·A3+9.73·A2+15.33·A

(2)

擬合R-square值為0.999 98。表1所示為七氟醚濃度的擬合結果,七氟醚濃度殘差不大于±0.03%,說明擬合方程可以較好地描述七氟醚濃度與吸光度之間的關系。根據朗伯-比爾定律,吸光度應隨氣體濃度線性變化;但實際上,朗伯-比爾定律僅適用于低濃度氣體或溶液情況。從圖2可以看出,隨著被測氣體濃度的升高,兩者逐漸偏離線性關系。在實際應用中,必須針對七氟醚、地氟醚等不同種類的麻醉氣體預先建立其吸光度與濃度關系曲線,再進行測量。

表1 七氟醚濃度擬合殘差Tab.1 Fitting residuals of concentration of sevoflurane

3.2 紅外濾光片的等效氣體濃度

以鍺為基底制作了透過率為36%～95%的一組濾光片,利用麻醉氣體檢測系統(tǒng)測量其吸光度。根據公式(2)計算濾光片吸光度值對應的七氟醚濃度值,結果如圖3所示。濾光片36%～95%的透過率范圍等效于七氟醚0.40%～8.40%的濃度范圍,可以滿足臨床麻醉機麻醉氣體濃度的檢測需求。

圖3 紅外濾光片的等效氣體濃度Fig.3 Equivalent gas concentration of infrared filters

根據實驗數據計算,麻醉氣體檢測系統(tǒng)在測量體積分數為0%～8.50%的七氟醚氣體時的濃度重復性誤差約為0.02%,測量紅外濾光片時的等效濃度重復性誤差也小于0.02%,說明由濾光片本身引入的重復性誤差可以忽略。

利用公式(1)將麻醉氣體檢測系統(tǒng)測得的濾光片吸光度值換算成實際透過率,與濾光片的名義透過率進行比較,結果如圖4所示。可以看出,系統(tǒng)測得的實際透過率明顯高于濾光片的名義透過率。導致該差異的原因可能是濾光片置入測量光路后,濾光片表面的反射光被氣室窗口再次反射穿過濾光片到達探測器,導致探測器測得的實際光強高于用名義透過率計算得到的光強。當名義透過率接近0或100%時,多次反射效應的影響較弱,實際透過率接近名義透過率值。當名義透過率在40%～60%之間時,多次反射效應的影響較為明顯,兩者差異較大。

圖4 紅外濾光片的實際透過率與名義透過率Fig.4 Measured absorbance and nominal absorbance of infrared filters

3.3 紅外濾光片的溫度效應

鍺材料的透過率可能隨溫度變化[13～15]。為了研究溫度變化可能帶來的影響,將麻醉氣體檢測系統(tǒng)和濾光片置于恒溫箱中進行實驗。麻醉機通常在手術室使用,而手術室環(huán)境溫度一般在18～26 ℃之間。設定環(huán)境溫度分別為17、20和30 ℃的情況下分別測量濾光片的等效濃度值,結果如表2所示。

表2 不同溫度下紅外濾光片的等效氣體濃度Tab.2 Equivalent gas concentration of infrared filters at different temperatures (%)

根據相關標準中麻醉機的性能指標要求[16,17],麻醉氣體檢測儀的測量誤差不大于±(0.1%+5%·c)(c為被測氣體體積分數)即可滿足需求。表2結果顯示,濾光片的等效濃度最大變化量不大于0.02%+1.5%·c,遠小于麻醉氣體檢測儀的允許誤差范圍,說明溫度效應對濾光片等效濃度測量結果的影響可以忽略。

3.4 實驗結果分析

通過實驗可以建立氣體濃度、吸光度和濾光片透過率之間的關系。實驗結果表明,紅外濾光片36%～95%的名義透過率范圍對應七氟醚0.40%～8.40%的濃度范圍。通過降低濾光片的透過率還可進一步提高其等效濃度。系統(tǒng)測量不同濃度七氟醚氣體的重復性約為0.02%,測量紅外濾光片等效濃度的重復性小于0.02%,證明濾光片本身不會引入額外的重復性誤差。環(huán)境溫度波動可能影響濾光片的透過率,進而改變其等效濃度。

實驗結果表明,在17～30 ℃范圍內,溫度效應引起的濾光片等效濃度的最大變化量不大于0.02%+1.5%·c(c為被測氣體體積分數),遠小于對麻醉氣體檢測系統(tǒng)的允許誤差要求。

實驗結果表明,紅外濾光片可用于模擬不同濃度七氟醚氣體對紅外光的吸收。濾光片的重復性和溫度穩(wěn)定性均滿足要求。由于地氟醚、安氟醚、異氟醚、氟烷等鹵化物的紅外吸收特性與七氟醚相似且吸收峰位置接近,可以利用紅外濾光片模擬這類麻醉氣體對紅外光的吸收。只需預先建立每種麻醉氣體的濃度與濾光片吸光度之間的關系就可以實現對不同種類麻醉氣體的等效模擬。經標定后,濾光片可等效于標準麻醉氣體,用于開展麻醉氣體紅外吸收檢測設備的日常校準,能避免制備標準麻醉氣體的成本高昂、穩(wěn)定性差、費時費力等問題,在麻醉機計量和質控領域具有良好的應用前景。

4 結 論

本文針對使用標準氣體校準麻醉氣體檢測儀中存在的困難,提出了一種利用紅外濾光片等效模擬標準麻醉氣體的方法。搭建了麻醉氣體檢測系統(tǒng),制備了體積分數為0.23%～8.50%的七氟醚氣體,建立了氣體濃度和吸光度關系曲線。設計和制作了透過率為36%～95%的一系列紅外濾光片,測得其等效氣體濃度范圍為0.40%～8.40%,并研究了多次反射效應和溫度效應對濾光片等效濃度的影響,驗證了該方法可行且具有良好的穩(wěn)定性。