动物用力肺通气功能的测定

2010-05-31陈旭鸣

中国医疗设备 2010年9期

关键词：原理图呼气用力

陈旭鸣

山西省人民医院工程师室，山西太原 030012

临床中，用力肺通气功能指标（如FVC、FEV1等）已经作为诊断和评价慢性阻塞性肺气肿(COPD)疾病的必需指标。一种新的治疗方法或药物在应用于临床之前，必须首先得到相近动物实验的证实。

临床检查中，在测试用力肺通气功能的过程中，需要测试者的配合：开始时，让测试者用力吸气至肺总量(TLC)的水平，然后再用最大力气将肺内的气体呼出至残气容积(RV)。

动物实验中，动物不能够主动配合，自身无法完成用力吸气和呼气。因此，我们设计了一种近似的方式来测量动物用力肺通气功能的相关指标，通过自动控制的方法辅助实现用力吸气和呼气的功能。

1 测定原理和方法

测量过程中，动物的肺容量经过传感器、信号放大处理、模数转换为计算机可以识别和处理的数字信号，当判断为一个呼吸周期的呼气末时，计算机通过串行接口向呼吸机发送一个测量开始信号，呼吸机接到控制指令后，将工作方式转为持续吸气方式，当计算机监测到吸入的气量达到所设定的肺总量(TLC)的时候，向呼吸机发出用力呼气的命令，呼吸机接到指令后，将工作方式转为用力呼气方式，动物将在一个负压的环境下被动用力呼气，呼气过程结束后，计算机向呼吸机发出测定结束指令，呼吸机随后转为普通的机械辅助通气方式。

用力肺通气功能指标主要包括： FVC(用力肺活量)、FEV0.1（用力0.1s呼气容量）、FEV0.3（用力0.3s呼气容量）、FEVx(用力任何时间的呼气容量,由用户设定)、FEVX/FVC、MET（最大呼气中段时间）、MMF（最大呼气中段流量）、MTT（用力呼气肺量平均排出时间）、FEF25（呼出25%用力肺活量时的流速）、FEF50（呼出50%用力肺活量时的流速）、FEF75（呼出75%用力肺活量时的流速）、PEF（最大呼气流速）等参数。

采用体积箱法测定动物的肺容积。测定时，动物被放入一个密闭的体描箱内。动物呼吸时，胸廓的扩张与收缩压缩了箱内的气体，使箱内气体容积发生变化。容积的变化又引起箱内压力的改变。通过测量箱内气体压力的变化值，间接获取肺容积的变化。根据波义耳定律推导，肺容积变化与体描箱内压力变化呈线性关系，其比例关系大小可以通过定标确定。

图1 压力信号转换原理图

压力信号通过精密压力传感器转换为模拟电信号，经过信号放大、滤波、A/D转换转化为计算机可以处理的数字信号。其处理过程如图1：

其中低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。巴特沃斯滤波器是滤波器的一种设计分类，采用巴特沃斯传递函数，有高通、低通、带通、高通、带阻等多种滤波器类型。巴特沃斯滤波器在通频带内外都有平稳的幅频特性，但有较长的过渡带，在过渡带上很容易造成失真。

2 系统构成

测定系统采用压力型体积描记模式，主要包括体描箱、信号调理器、智能小动物呼吸机、负压器、软件分析系统，其框图如图2：

图2 动物肺功能分析测量系统结构图

体描箱是一个可以密闭的测定仓，包括活动体、固定体、密封圈、密闭螺钉等部件。活动体上含有动物支撑板、呼吸机通道、气道压力通道、肺容积通道、心电通道、自动平衡通道等。实验时，将麻醉后的动物气管做插管术后，将其与呼吸机通道相连。对于大动物，如兔子，可以采用特殊的气管插管进行无创测量。

传感器在本系统硬件设计中是一个关键性的部件，选用进口的精密硅微结构压阻式微弱压力传感器，满量程为1kPa，线性度为0.05%，此类传感器采用三维膜片结构，并且由离子注入工艺形成、经激光修正的X型电阻代替惠斯通电桥。用硅刻蚀工艺将产生的应力集中在传感器电阻处，压力更为集中，压阻的变化明显增加，大大提高了灵敏度。此传感器具有精度高、线性度好、重复性好、稳定性高、可靠性高等优点。同时此传感器由于采取了温度补偿措施，在0~70℃范围内传感器的满量程和零点有很高的稳定性。

信号调理器的功能是对传感器送来的变化信号（气道压力、肺容量、心电、血压等）加以放大和处理，以满足系统对信号的要求。其质量、性能的优劣是决定系统精度的另一个关键。本模块采用美国BB公司生产的高精度仪器仪表放大单元，共模抑制比大于120dB，精确度误差小于0.1%。

小动物呼吸机为实验中的动物提供氧气支持，以无油空气压缩机为动力，通过单片机的智能控制，将气体有节律地输入气道，使肺扩张，以达到气体交换的目的，之后将交换出的二氧化碳气体排出体外。为了实现负压呼气方式，拥有两个排气通道，一个通道排出至大气，一个通道排出至负压器。呼吸频率调节范围为1～300次/min，潮气量调节为0.01～300mL，呼吸比调节为1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、3:1、2.5:1、2:1、1.5:1。其原理图如图3：

图3 动物呼吸机原理图

负压器是产生一个稳定负压的装置，其由真空泵和平衡容器组成。负压的大小等于容器内水的高度，通过改变玻璃密闭容器内水的高度调节负压的大小。其原理图如图4：

图4 负压器原理图

软件分析系统(见图5)包括数据采集、实时分析控制、曲线动态显示、趋势图、数据转换、数据存储、回访分析、打印等模块。程序是在windows visual studio .NET 2003环境下编写的，运行于Windows98/2000/XP平台，采用模块化结构，系统为中文界面，功能很强、易于扩展、稳定性好、操作简单。数据采集模块采用独立线程，增强了处理速度和控制的实时性、不会发生丢点现象。

3 应用

图5 软件分析系统

本系统主要用于慢性阻塞性肺气肿（COPD）等阻塞性气道疾患的生理和药理学研究。气道阻塞或狭窄引起的气体流量下降，会反映出相应用力肺通气功能指标的下降。

一种新的治疗方法和药物要成功应用到临床中，必须先在相近的动物实验上得到证实，一般分为三个组，一组为正常组，一组为模型组，一组为治疗组。正常组为正常健康的动物，模型组为患有疾病的动物，治疗组为通过某种方法治疗过的动物。图6数据是一组正常组、慢性阻塞性肺气肿（COPD）模型组、某中药治疗组、某西医治疗组的大鼠的实验数据比较曲线。纵坐标轴代表FEV0.2/FVC的百分比值，横坐标轴代表样例顺序。从数据可以看出：某中药治疗方法与某西药治疗方法对患有慢性阻塞性肺气肿（COPD）的大鼠具有明显的治疗效果。