呼吸机潮气量校准及其不确定度评定

林 芳

呼吸机潮气量校准及其不确定度评定

林 芳①

分析呼吸机的工作原理和不同的分类。依据JJF1234-2010《呼吸机校准规范》的要求，对呼吸机最主要工作参数潮气量的技术参数、校准方法以及测量不确定度进行分析和评定。

呼吸机；潮气量；不确定度

[First-author's address]Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, China.

1 呼吸机原理和分类

人体进行正常生理活动所需的能量都是由体内氧化代谢作用产生的，细胞组织必须不停地进行氧化代谢来维持正常的生命活动。健康的人通过呼吸活动，从空气中摄入的氧气已能满足各器官组织氧化代谢的需要。如果呼吸系统的生理功能遇到障碍，如急慢性呼吸衰竭或呼吸功能不全等，均需采用输氧和人工呼吸进行抢救治疗。从1927年Drinker发明的箱式体外负压通气机至今，世界上投入临床使用的各类呼吸机已达200多种，呼吸机被普遍地应用于病人呼吸功能衰竭、急救复苏以及手术麻醉等领域。

肺泡是人体进行呼吸运动的生理基础。在人体自主呼吸时，肺泡的膨胀和收缩与大气压之间的压力差形成了呼吸功能。吸气时，肺内压力低于外部大气压，呼气时，肺内压力大于外部大气压。呼吸机的工作原理就是用机械的办法建立这一压力差，从而实现强制的人工呼吸过程。呼吸机由供气装置、控制装置和病人气路3部分组成。其中

供气装置由空气压缩机、氧气

供给装置和空氧混合器组成，主要供给病人吸入的氧气；控制装置由计算机对技术参数进行智能化处理，通过控制器发出不同指令来控制各个传感器、呼出阀和吸气阀来满足病人呼吸要求；病人气路由气体管道、湿化器和过滤器组成。

当今的呼吸机性能越来越完善，功能越来越多。按照吸气向呼气的切换方式来分类可分为：压力切换型、容积切换型、时间切换型和联合切换型四种。每台呼吸机至少有一种切换方式，现代先进的呼吸机可能有2～3种切换方式供临床选择。压力切换型即通过气通压力来管理通气。容积切换型是预定潮气量、峰流值对患者进行通气，当肺部充气扩张，容量、流速达到预定值后立即停止供气，由吸气转为呼气。时间切换型是通过预定呼吸周期，按设置的潮气量定时进行吸气、呼气切换。联合切换型兼有多种吸气相转换的方式，各种转换方式按需要设置，在计算机的智能控制下，机器自动调节有关参数，实现供气。按照动力来源可分为：气动气控呼吸机、气动电控呼吸机、电动电控呼吸机。按应用对象分类可分为：成人呼吸机、小儿呼吸机、成人—小儿兼用呼吸机。

2 潮气量技术参数和校准

呼吸机最主要的工作参数有潮气量、压力、流量和时间（含呼吸频率、吸呼比）。潮气量（VT）是指患者单次吸入或呼出气体的体积，对呼吸机而言，指机器每次向患者传送的混合气体的体积。潮气量的设定是机械通气时首先要考虑的问题。容量控制通气(VCV)时，潮气量设置的目标是保证足够的通气，并使患者较为舒适。成人潮气量一般为5～15 ml/kg，最常用的范围是8～12 mg/kg。潮气量大小的设定应考虑以下因素：胸肺顺应性、气道阻力、呼吸机管道的可压缩容积、氧合状态、通气功能和发生气压伤的危险性。气压伤等呼吸机相关的损伤是机械通气应用不当引起的，潮气量设置过程中，为防止发生气压伤，一般要求气道平台压力不超过35～40 cmH2O。对于压力控制通气(PCV)，潮气量的大小主要决定于预设的压力水平、病人的吸气力量及气道阻力。一般情况下，潮气量水平亦不应高于8～12 ml/kg。因为医生是根据病人的体重来设置潮气量的大小。病人与呼吸机回路循环呼吸，流量传感器在呼吸回路中间监测潮气量。过高的潮气量会对肺部不利，过低的潮气量不能产生肺泡通气，因此潮气量监测的准确度在临床上特别重要。对于输送潮气量大于100 ml/次或通气量大于3 L/min的呼吸机，潮气量最大输出误差与示值偏差应不大于±15%。对于输送潮气量小于100 ml/次或通气量小于3 L/min的呼吸机，应满足使用说明书的精度要求。

呼吸机潮气量校准时，先根据呼吸机类型不同，正确连接呼吸机测试仪、模拟肺和成人或婴儿呼吸管路，连接方法见图1：

图1 呼吸机校准系统连接示意图

潮气量的检测都是在容量控制（VCV）模式下进行的，成人型呼吸机和婴幼儿型呼吸机潮气量的检测在呼吸频率、吸呼比设定上有所不同。分别按表1和表2中的条件和参数对潮气量进行校准。采用多点测量法，分别记录测试仪示值Z和呼吸机示值Y，按公式计算输出误差

表1 成人型呼吸机潮气量校准表

表2 婴幼儿型呼吸机潮气量校准表

3 潮气量输出误差测量不确定度评定

依据JJF1234-2010《呼吸机校准规范》的要求，选用呼吸机测试仪，潮气量允差：±3%，对呼吸机潮气量进行校准。先检查呼吸机的外观、附件、气源、呼吸管路等连接是否正常，开机检查呼吸机通气功能是否正常。然后正确连接呼吸机测试仪和模拟肺，在容量控制（VCV）模式下，设定呼吸频率f=20次/ min、吸呼比I:E=1:2、呼气末正压PEEP=0.2 kPa、吸入氧的体积分数FiO2=40%，对600 ml点潮气量进行测量。

3.1 数学模型

式中： μ ----输出误差

Y ----呼吸机示值

Z ----测试仪示值

式中：Y、Z之间互为独立，其灵敏系数与方差分别为

3.2 各输入量的标准不确定度分量的评定

3.2.1 输入量Y的标准不确定度u(Y)的来源主要是被测呼吸机的测量重复性，可以通过连续测量得到测量列，用A类方法进行评定，根据测量方法对600 ml点潮气量作10次独立重复测量，其测量数据如表3所示。

表3 10次重复性测量数列 (ml)

单次实验标准差为：

任意选择3种同类型的呼吸机对400 ml、800 ml、1000 ml点潮气量连续测量10次共得9组测量列，分别按上述计算得到单次实验标准差，如表4所示：

表4 9组实验标准差计算结果 (ml)

合并样本标准差:

3.2.2 输入量Z的标准不确定度的来源主要是测试仪的不确定度, 测试仪潮气量允差：±3%，Δp=±3%×600 ml=±18 ml在区间内属于均匀分布，包含因子k=,区间半宽α=18 ml，则标准不确定度为：

3.3 合成标准不确定度及扩展不确定度的评定

3.3.1 各不确定度分量汇总及计算表

3.3.2 合成标准不确定度的计算

由于Y、Z之间彼此独立不相关,因此合成标准不确定度为

取有效自由度υeff=50，对最终结果不会有太大影响。

3.3.4 扩展不确定度的评定3.4 测量不确定度的报告

本测试仪测量呼吸机潮气量测量结果相对扩展不确定度为:

4 结束语

检测前我们应先检查呼吸回路是否连接正确，螺纹管是否有破损，压力采样管是否接好，温度传感器探头是否安好，湿化器密封圈是否破损老化封闭不严，储水罐是否破裂，旋转是否到位，单向阀是否破裂。其中任何一个地方漏气，都会引起潮气量监测误差。另外检测前还要检查管路是否潮湿有水，湿化器的水是否倒掉。因为一旦有水进入传感器，潮气量监测值就会偏小。传感器分为压差式和涡扇式，压差式以呼吸气流通过传感器产生压力，根据压力高低计算气流大小。涡扇式以呼吸气流带动风扇旋转，红外线检测风扇转速计算潮气量。一旦有水进入传感器的涡轮风扇，风扇的阻力增加，转速减慢，红外线测试灵敏度降低；对于压差传感器，当水进入测压管，形成部分水堵，潮气量监测值偏小。只有做好检测前的检查工作，消除影响潮气量测量值的外部因素，才能保证潮气量测量的准确，减小潮气量的输出误差。对提高呼吸机临床救治的成功率、减少临床风险具有重要的意义。

表5 不确定度分量汇总及计算表

[1]JJF 12342-2010.呼吸机校准规范[S].中国计量出版社,2010.

[2]张秋实.呼吸机、麻醉机质量控制检测技术[M].北京：中国计量出版社，2010.

[3]何西坤,付园. 呼吸机检定过程中潮气量误差分析及解决方法[J]. 计量技术,2009(增刊).

[4]严红剑.有源医疗器械检测技术[M].科学出版社,2007.8.

[5]陈曦.呼吸机检测中需要注意的几个问题[J].计量技术,2009(增刊).

Calibration of ventilators and assessment of its measurement uncertainty

LIN Fang

The article analyzes the working principle and different classifications of ventilators. Based on JJF1234-2010 calibration specification for ventilators, we made analysis and evaluation on technical parameters, calibrating method and uncertainty of measurement of tidal volume.

Ventilator; Tidal volume; Uncertainty

1672-8270(2010)11-0007-04

TH 77

A

林芳,女,(1962- ),本科学历，高级工程师。福建省计量科学研究院，从事医疗设备检定和校准工作。

2010-08-16

①福建省计量科学研究院医学室 福建 福州 350003

China Medical Equipment,2010,7(11):7-10.