肺功能仪检测原理与常用仪器1 肺功能试验的临床意义肺功能检查是临床上胸肺疾病及呼吸生理的重要检查内容。对于早期检出肺、气道病变，鉴别呼吸困难的原因，诊断病变部位，评估疾病的病情严重度及其预后，评定药物或其它治疗方法疗效，评估肺功能对手术的耐受力或劳动强度耐受力及对危重病人的监护等，肺功能检查均是必不可少的。其结果判断参考同种人群肺功能正常值。肺功能检查通常包括通气功能、换气功能、呼吸调节功能及肺循环功能。检查项目繁多、临床上最为常用的是通气功能检查，它可对大多数胸肺疾病作出诊断；其它检查如弥散功能测定、闭合气量测定、气道阻力测定、膈肌功能测定、运动心肺功能试验、气道反应性测定等，可对通气功能检查作不同程度的补充。此外，血气分析亦是肺功能检查的一部分。随着电子计算机技术的发展及临床对肺功能评估认识的不断深入，肺功能检测已成为临床肺部疾病三大诊断之一(另二者为病因诊断和病理诊断)。2 肺功能仪的组成部分肺功能的试验仪器主要由肺量计、气体分析仪及压力计组成，通过它们的组合，可测出肺功能的大多数指标，如肺容量、通气、弥散、呼吸肌肉力量、氧耗量、二氧化碳产生量等，其中肺量计在肺功能检测中最为常用。2.1 肺量计：肺量计是指用于测定肺容量的容量或流量计的仪器。按物理学定律，设某一瞬间的体积流量为Q，一定时间t内流过的流体的体积为V，则V=Qdt或Q=dV/dt；而体积流量是流体流速(V)与流经截面积(A)体的流速及吸/呼气体时间可求出吸/呼气容量；反之亦然。2.1.1 容量测定型肺量计容量测定型肺量计先测定流体的体积，而后得出流量。2.1.1.1 水封式肺量计(water-sealed spirometer)：这种肺量计结构简单、测量准确，但测量指标较少，不易于自动转换为流速参数，其容量所测为室温容量(ATPS状态)，应将其矫正为体温容积(BTPS状态)。目前已较少使用，仅在一些基层医院或生理实验室中尚有使用，如Collins肺量计。其构造如图1，钠石灰是CO2吸收剂，鼓风机用于减少机器的阻力，容量的变化记录于记纹鼓，这种设备的死腔量较大，一般为6L8L。 由水将浮筒内外分隔，带有单向阀的管道与盛有CO2吸收剂的容器相连，浮筒内与病者以密封闭回路方式相连。浮筒经一滑轮悬拉，连至另一端与记录笔相连，记录笔可将浮筒位置的改变记录于记纹鼓上。当病人从浮筒中吸气或呼气时记录笔垂直上下移动，移动的幅度取决于吸/呼气的容量大小。记纹鼓与一电机相连，电机转动时记纹鼓转动的速度恒定，并可选择不同速度，由描记笔水平记录。此为描记图的时间轴，而描记笔的垂直运动为插记图的容量轴，测试中描记出时间容量曲线，从中可求出多个容量及流速参数。2.1.1.2 干式滚桶式肺量计(dry-rolling seal spirometer)：见图2。病人呼出的气体使活塞移动，活塞由滚桶隔样的密封器与圆桶密封。电压计检测活塞的移动，活塞移动时产生的电压信号可反映移动量的大小，间接反映呼吸气体容量。活塞面常较大，以减少活塞运动时的机械阻力。Gould 9000，FUDAC 50，ERS-1000,Ohio 800系列等肺量计属此类型。使用此类型肺功能仪时，病人呼吸为密封式，易发生交叉感染。 2.1.2. 流速测定型肺量计流速式流量计则先测出流经截面积一定的管路的流体速度，然后求出流量，也称为间接测量式流量计。2.1.2.1 压差式流量计(pressure differential flowmeter)：利用在一定形状的流通管道中气流的压力降落与流速的依从关系测定流量。压差式传感器包括两部分：流量传感器：实现气体流速与压差的一次变换，根据流经该变换器的气流速度大小不同，变换器两端敏感出相应的压力差，即压差信号。压差传感器：将与流量成一定比例关系的压差信号转换成一定的电信号，经处理后以数字或曲线图形显示。Fleish pneumotachograph是较为常用的压差式流量计(图3)。此流量计的流速传感器上有一筛状隔网，气流通过该网时受网的阻力而流速下降，结果使网眼的另一端的压力轻微下降。网眼两端形成压降差。压差传感器可据此压差感应，产生电信号。流速越快，压降越大，则产生压差电信号越强。气流应尽可能是层流，锥形体的保护网及毛细网可提供此种气流方式，流量计上的加热器可加温毛细网，避免呼出的饱和水蒸汽在筛状隔网上冷凝沉积，阻塞网眼。该隔网清洁消毒较为困难，另外在高流量测定时误差偏大。 Fleish pneumotachograph可用于测量气体流速，容量及呼吸频率，与其它分析仪结合可作诸如残气量、气体分布等测定。Grould 2800,Sensormedics 6200，Medgraphs FUKUDA ST-350，ST-90 Multispiro-SX系列，Vitalograph等肺功能仪属此类压差流量计。2.1.2.2 热敏式流量计(thermal flowmeter)：此计依据热量传导与气体流量相关的原理设计(图4)。核心部分为温度依赖性电阻元件，热线(hot wire)或热珠(thermistor bead)接通电源时该元件加温，当气流通过热敏件时可使其温度下降，并改变电阻(热珠温度下降时电阻增加，热线温度下降时电阻减少)。维持热线温度的电流的变化与气体流速成正比。热线式传感器易受外环境因素影响，如气压的改变，海拔高度，气体密度(如呼出气氧浓度不同)等。，在环境温度、压力与标定温度、压力相差较多时其流速(或容量)测定值可发生偏差，应对测量值进行标化补偿，温度、压力修正。此外该传感器在低流量测定时线性反应稍差。Minato AS系列肺功能机，Gould 218X系列，SensormedicsVmax229等属热敏式肺量计。2.1.2.3 叶轮式和涡轮式流量计(Vortex shedding)。依据转动部件(叶轮或涡轮)的转动速度与流体速度成正比的特性进行测量。气流通过时推动叶轮或涡轮转动，叶轮式采用光电调调制原理，通过光电效应，涡轮式采用磁电调制原理，通过磁电效应，把叶轮或涡轮的机械转动信号转换成电信号输出。由于叶轮的运动惯性和转轴与轴承间摩擦力矩等因素，会影响传感器的精度。此种误差部分可通过电子线路予以补偿。但气流停止通过时涡轮仍可有惯性转动而发生误差，且不能内定标，是其缺点。如ChestHi-298,498等肺功能机。2.2 气体分析仪目前常用的气体分析仪按其分析原理可分为以下数种：2.2.1 物理气体分析仪：如顺磁性氧浓度计，当氧分子通过一磁场时，在磁场力的作用下，因氧有顺磁性，向磁力强区聚集，而非磁性气体如氮气则聚向弱磁区。2.2.2 电子分析仪：依热导性原理测量及惠斯电桥以比较不同气体通过两线的电流阻力。2.2.3 电化学分析仪：利用电极介质介面上进行的电化学反应，将被测介质(如O2)的化学量转变成电量。基本测量系统包括电解质溶液、电极、及测量电路。一旦启用，由于不断进行的化学反应消耗电解质溶液和电极，此传感器使用寿命较短(一般半年至一年)。2.2.4 质谱仪：中性的气体原子在电子被俘获后形成离子，在磁场力的作用下发生偏传，不同的气体偏转角度各异。利用此原理可将各气体组分分开并定量测定。2.2.5 气相色谱仪：利用混合气体中各组分在互不相溶的二相之间分配的差异而使各气体成分分离。2.2.6 红外CO2监测仪：利用CO2对红外线的吸收原理检测。2.3 压力计：是指测量流体压力的仪器。临床医学中主要作呼吸肌肉力量测定和肺顺应性测定。2.3.1 U型管压力计：以水或水银作工作介质。多用作测量压力的标准器，但读数和记录不方便。2.3.2 膜片偏位式压力计：通过相应于被测压力的感应元件的膜片位移，把位移信号转换成电信号输出，并作指示和记录。3 肺功能仪的技术要求3.1 容量测定：肺量计容量测定能力应8L；任何容量测定的误差2%，或50ml(取两者中最大者)；分辨率25ml最低驱动压0.03kPa；定标筒容量应1l3.2 时间测定：误差2%；FVC测定记录时间14s；3.3 流量计测定范围：015l/s；误差4%，或0.07l/s(取两者中最大者)；3.3.1 压差式流量计：阻力0.1kpa/l/s；应有预热，以预防水蒸汽沉积；3.4 气道阻力测定：范围02kPa/l/s;误差0.01kPa/l/s3.5 气体分析：肺容量测定时CO20.5%He测定范围010%，误差应1%；CO测定范围00.3%，误差应1%；气体循环量最少180l/min4 常用的肺功能仪11：4.1 Sensormedics 2200型肺功能仪(美国Sensormedics公司)：由热线式双流量测定计，多种气体红外线分析仪组成。可作通气功能(包括流速/容量环、肺活量及最大通气量)、一次呼吸法弥散功能、通气分布及闭合气量、肺容量(包括残气量及功能残气量)等测定。并可通过内呼吸弥散技术(无需要屏气)，作弥散功能及心排量测定。该系统可作气体浓度、流量定标，其中气体分析器可自动定标。气体分析仪可分析N2，CO，CH3，C2H2等，采样量少于200ml，这利于对呼出容量较少的对象如限制型通气功能障碍者或小儿病者作呼出气分析。系统响应时间为200ms300ms。呼吸回路为单向无管道式设计，易于清洁消毒，避免交叉感染，且死腔量少(只有130ml)。该系统支持软件丰富，可作数据统计及预计值编辑等。技术指标：流量计精度0.3%或0.1l/s，量程0.116l/s,分辨率0.3l/s，容量精度3%或50ml，气道通道阻力1.5cmH2Ol/s(在12l/s时)。气体分析器精度0.006%，量程：0.000.33%，分辨率：0.0005%。采样流量100ml500ml/min，响应时间300ms(500ml/min时)。氮分析仪精度2%，量程095%，分辨率0.1%，响应时间45ms。4.2 Sensormedics 6200体积描记仪(美国Sensormedics公司)：由压力/流量型体积描记仪、热线式流量计及多种气体分析仪组成，可测量时间肺活量，流速容量环(口流速-口容量，口流速-肺容量，肺流速-肺容量)最大自主通气量，胸腔内压缩容量，平静呼吸或浅促呼吸之气道阻力，静态及动态肺顺应性，一次呼吸法弥散力，内呼吸法气体分布，支气管扩张剂吸入前/后比较等，因此参数较为齐全可完成肺功能测试的大多数检验项目。技术指标：(1) 热线式流量计：同2200型(2) 快速反应多种气体分析仪，同2200型(3) 压力传感器，可进行容量/流量定标(3L定标筒)箱体/经口压及气体成分定标。技术标准见表1。表1量程精度分辨率箱压5 cmH2O1%全量程3.8105cmH2O口压120cmH2O1%全量程0.007 cmH2O室压500800mmHg2mmHg1mmHg温度10450.10.14.3 FUDAC50型肺功能仪(日本FUKUDA SANGY公司)：由干式滚桶肺量计。热导He分析仪。红外CO分析仪及氮分析仪等组成。可作时间肺量图、流速容量环、静态肺活量、最大自主通气量、氮冲洗功能残气量、一口气法弥散力、氧耗量、基础代谢率测定