医用呼吸道湿化器热能测试系统的设计

王丽明 薄磊 刘茹 朱仁红

1江苏省医疗器械检验所 （ 南京 210022）

2无锡吉科电子有限公司 （ 无锡 214002）

0.引言

医用呼吸道湿化器作为常规的吸入气体湿化方式在临床上广泛应用，其工作原理为采用电加热的方式对湿化水进行加热，产生温度适宜的水蒸汽，与吸入气体混合，从而达到加温、加湿吸入气体的目的。（见图1）正常的人体呼吸通道具有自然的调整机制，能保障所吸入的气体进入肺部时，温度约37˚C、相对湿度（RH）100%、绝对含水量（绝对湿度，AH）约44mg/L。而患者在行呼吸机治疗建立人工通道后，失去自然调整机制，若不对吸入气体进行湿化和温化，会造成下呼吸道失水、黏膜干燥、分泌物干结、纤毛活动减弱或消失、排痰不畅，进而发生气道阻塞、肺不张和继发感染等并发症。因此，吸入气体的加温和湿化在改善呼吸功能、防治各种并发症的发生中发挥着举足轻重的作用，但若吸入气的湿度或温度过高，也会对机体造成不利影响。研究表明，持续性的高温传输气体输送给患者，41˚C以上就会对患者有潜在的热伤害，温度达到44˚C，接触6h后将会对呼吸道组织产生不可逆的损伤。

图1. 医用呼吸道湿化器

因此，YY0786-2010《医用呼吸道湿化器 呼吸湿化系统的专用要求》中51.103规定，“在正常状态和单一故障状态下，平均时间30s以上时，患者连接端口处的过热应不超过相当于43˚C和100%相对湿度（比焓不应超过194kJ/kg）的能量。”具有此类规定比焓的温度和相对湿度组合的例子见表1。

根据热力学第一定律：热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。因此，湿化器可以理想化为在恒压条件下，高温饱和空气转化为低温饱和空气的过程中，传递热能即为两个不同温度条件下的热容量之差。1L饱和空气从50˚C时冷却到37˚C时热容量见表2。

表1. 认可的温度和相对湿度组合的例子

其中，Qa为空气传递的热能，Qw为水传导热能，Qwv为水蒸气的热传递，Qlhv为蒸发潜能，传输总量Qtotal=Qa+Qw+Qwv+Qlhv。

气体在体温和完全饱和的状态下（37˚C和RH100%），是不会与37˚C体温的患者之间发生热能交换，体温状态的干燥气体（37˚C和RH0%）蒸发将消耗热能。气体由41˚C和完全饱和状态下转化为患者呼吸的干燥气体所转化的热量小于130kJ/kg。因此监测医用呼吸道湿化系统湿化气体的温度和热能转化输出是十分必要的。

YY0786对医用呼吸道湿化器的热能转化输出上限提出了要求，从表1我们可以看出，单纯地对温度加以控制是无法满足标准要求的，必须限制输出热能不至于对患者造成热伤害，热能输出量是通过比焓来考察，而比焓是不可直接测量的，它是由气体的温度和水蒸汽含量决定的，因此监测比焓就成为控制湿化器热能输出量的唯一手段。然而，目前缺乏成熟的能够直接测量比焓的此类装置。因此，本文依据YY0786对湿化器热能输出的限值要求设计一套通过直接测量传输气体温度和湿化室出口处温度，从而转化为比焓的测量装置。

表2. 1L饱和空气在50˚C时冷却到37˚C时热容量

1.理论

热力学理论告诉我们，当物体受热时会产生两种明显的变化，一是该物体温度上升，另一是该物体体积改变。而温度上升表示物体内能的增加，物体体积的改变则表示此物体对外界做功，由能量守恒定律可得：dQ=dU+dW，

dQ为外界通过热作用对体系做的功，dU为内能改变量，W为体系通过非热作用对外界做的功；

在等压条件下的计算功：dW=pdV

得出：dQ=dU+pdV，这就是热力学第一定律。

根据热力学第一定律，系统在理想的绝热状态时，功只取决于系统初始状态和结束状态的能量，和过程无关。因此，湿化器可以理想化为在恒压条件下，高温饱和空气转化为低温饱和空气的过程中，传递热能即为两个不同温度条件下的热容量之差。本文研究的湿化器热能测试系统就是基于此种理论。

在恒压条件下，加热传递过程依据最初相和最终相的量值U+pV改变，所有的这些量是热力学性质，为系统状态功能的函数，因此他们的组合也一定有这些相同的特性，定义新的广延性质为焓（H）：H=U+pV

单位质量物质的焓成为比焓，即焓与质量之比：h=H/M。

“广延性质”意为一种不能被直接测量但可以被计算的量值（例如焓），与之对应的是强度性质，这类量值可以直接测量（例如温度）。因此，为了得到不能被直接测量的比焓，可以通过对温度的测量并进行计算得到比焓。

YY0786附录CC.1给出了比焓的计算过程如下，本文的医用呼吸道湿化器热能测试系统的比焓计算就是据此实现：

td传输气体温度，单位˚C；

th传输气体温度或湿化室出口处温度，单位˚C，取低者；

绝对温度T，单位K；

蒸汽压力pV，单位kPa，计算公式如下：

湿气比w，以质量比表示（kg/kg），计算公式如下（承受的总的气体压力＝101.325kPa）：

比焓h，计算公式如下：

2.实现

2.1 建立框图

湿化器热能测试系统功能设计框图2所示：通过空气压缩机驱动湿化器正常工作，使湿化器模拟配合呼吸机使用时的空气流通，采集必需的温度数据输送至计算机系统进行比较分析，取可用数值进行配比计算，计算结果可反馈至控制系统调节湿化器的流量，取得各种不同条件下热能输出数据，实现自动采集、记录、计算，最终显示并存储测试结果，联机打印。

2.2 数学建模及软件实现

用数学语言描述比焓的计算过程，掌握比焓特征，并进行必要简化，用数学工具刻画变量间数学关系，建立数学结构，进行数学分析，最后将分析结果与实际比较，验证模型的准确性、合理性和适用性。建立的数学模型用软件语言汇编实现，为强调执行效率和稳定，采用VC++可视化编程平台。系统软件实现界面如图3所示。

2.3 硬件准备

按照以下原则选取温度传感器：

（a）在水中以1m/s流速实现22˚C阶跃到37˚C时，温度传感器时间常数在0.5s～1.0s之间；

（b）环境温度对传感器精度的影响<0.01˚C/1˚C。

同时，采用空气压缩机驱动压缩气体通过湿化器以模拟医用呼吸道湿化器与呼吸机的配合工作的方法，我所在湿化器的型式检验中已多次进行过相关试验，行业内也认可此种方法的可行性。

2.4 系统调试

将硬件和软件整合调试，优化组合方案，并进行测试验证工作。

3.小结

本系统基于热力学第一定律设计开发，设计思想科学有效，计算方法化繁为简，操作界面可视性强，不失为有效解决医用呼吸道湿化器热能测试中缺乏必要测试手段的途径之一。

[1]YY0786-2010，医用呼吸道湿化器 呼吸湿化系统的专用要求[S]

[2]施明恒，李鹤立，王素美.工程热力学[M].南京：东南大学出版社，2003

[3]朱元钰，陈文彬.呼吸病学[M].北京：人民卫生出版社，2006