T-组合婴儿复苏系统中关于压力采样的研究

彭铁成 肖瑞柳 封志纯 吴本清

1 深圳市科曼医疗设备有限公司 （广东 深圳 518050）

2 中国人民解放军陆军总医院 （北京 100000）

3 中国科学院大学深圳医院新生儿科 （广东 深圳 518100）

内容提要： 通过流体力学理论对气路系统中出现的问题进行分析，采用流体计算分析软件对T-组合婴儿复苏系统气路进行模拟，并通过实验设计及测试，对得到的数据进行分析验证。

关 键 字： T-组合 复苏 PEEP 流体力学

T-组合婴儿复苏系统（BQ70）是一种复苏抢救设备，模拟人工呼吸，使呼吸困难或停滞的新生儿的肺泡张开和收缩，助其恢复呼吸，从而达到复苏抢救的目的。能提供21%～100%氧浓度的混合气体，0～15L/min复苏流量及氧疗流量，提供恒定的吸气峰压（PIP）、呼末正压（PEEP），可以维持功能残气量并防止肺部塌陷，满足足月儿和早产儿复苏时正压通气的需要。

T-组合婴儿复苏系统（BQ70）是由气流控制、压力限制的纯气动机械设备。气体由T-组合婴儿复苏系统的复苏流量出气口经过管路附件输送到新生儿患者端，与面罩相连。操作者用拇指封堵或松开管路附件中PEEP阀的开口，控制呼吸频率及吸气时间，通过一定的压力使新生儿的肺泡打开，让复苏气体直接进入新生儿气道。PEEP压力分为低水平（≤5cmH2O）、中水平（6～15cmH2O）、高水平（≥15cmH2O），不同压力的PEEP有着不同治疗作用，为了对患者进行更好的治疗操作，选择一个合适大小的PEEP至关重要。所以压力检测器中显示的压力值需跟PEEP阀患者端的实际压力值保持一致。

在T-组合婴儿复苏系统提供一个压力检测器，以监测气路中的压力。在进行复苏操作之前，需对复苏流量、PIP、PEEP进行预设。根据《中国新生儿复苏指南》指导，推荐预先设定的吸气峰压为20～25cmH2O，呼气末正压为5cmH2O。用拇指封堵PEEP阀的开口，压力检测器显示为PIP；松开PEEP阀开口，调节PEEP阀螺帽，观察压力检测器中的数值，显示为PEEP。实际操作中，如果在PEEP阀的患者端进行压力采样，不仅占用操作时间，也与“抢救黄金一分钟”原则相冲突。为了解决这个问题，已在T-组合婴儿复苏系统内部接好压力采样管路，省去抢救时多余的压力检测步骤，节省了宝贵的抢救时间。

1.问题点

研发过程中对T-组合婴儿复苏系统的性能参数进行测试。PEEP阀的患者端接VT Plus HF检测压力。在设定参数过程时发现，封堵PEEP阀的开口，压力检测器显示的压力值与VT Plus HF检测到的压力值相同；松开PEEP阀的开口，调节PEEP阀的螺帽，观察到压力检测器中的数值与VT Plus HF检测到的压力值不同且相差较大。根据压力检测器采样到的压力值与VT Plus HF检测到的压力值的差异进行分析。

2.分析与测试

在T-组合婴儿复苏系统与附件组成的气路系统中，内部管路用的是软管，附件波纹管管径大于内部软管。从安全阀出气端用三通分别接压力检测器和复苏流量接头，压力检测器采样软管与气流主管道非垂直，复苏流量接头连接管路附件和PEEP阀。安全阀到复苏流量接头段的软管是弯曲的。气路系统见图1。

2.1 理论分析

根据气体流动规律的基本运动方程、连续性方程和能量方程。

理想气体定常绝热的流动的运动方程为：

根据质量守恒定律，气体在管道中做定常流动时，流过每一个横截面的质量流量相等。

对运动方程和连续性方程进行积分处理得出的能量方程，就是压缩气体的伯努利方程：

k为绝对系数

p1p2为两截流面上的压力

v1v2为两截流面上的平均速度

ρ1ρ2为两截流面上的密度

静压是流体在流动时产生的垂直流体运动方向的压力，不受流速影响而测量到的表压力值。压力表测量到的是管道中的静压。

图1. 气路系统图

图2. 气路系统中总压云图

图3. 软管弯曲处总压云图

流体在运动时，在正对流体运动方向的表面，流体完全受阻，流体的速度为零，其动能完全转变为压力能，对于静止状态下的流体，只有静压强。

结合气体流动规律公式和气路系统分析可以看出，压力检测器采样管与主气流管路非垂直，采样到的压力不是垂直于气体流动方向的压力，所以压力检测器中测量到的不仅仅是静压还有一部分动压。

2.2 计算流体分析

用三维建模软件对气路系统中的流体进行建模，包括T-组合婴儿复苏系统内部软管、附件管路附件和PEEP阀。复苏流量接头内部是流体通径变化的地方。根据管道在T-组合婴儿复苏系统的实际情况，三维流体模型当中体现了管道弯曲的工况。

对三维建模软件绘制的流体模型进行流体分析前处理的网格划分，将软管进气口设置为入口边界，PEEP阀的开口设置为出口边界，其余设置为壁面边界。

在计算流体分析软件中打开分析前处理的网格文件，对部分管路和附件组成的气路系统进行流体分析。为了模拟T组合工作时条件，将流体介质设置成压缩空气，选取合适的湍流模型，流场入口边界设置为质量流量入口；PEEP阀开口对空，出口边界设置为压力出口。经过计算流体软件计算后保存数据文件。

图4. 气路系统中静压分布云图

图5. 气路系统中局部静压分布云图

对流体分析后的数据文件进行处理后，得到整个气路流体的压力和流速分布云图。可以观察压力在各处的变化。

表1. 测试数据(cmH2O)

从图2图3得知，整个气路的总压在逐渐减小，特别是气流通过软管弯曲段压力损失特别明显，轻微弯曲部分压力损失则不太明显。从流体分析得出，软管弯曲程度越厉害对压力的影响越大，损失的压力也越大。

从图4的静压分布云图可观察得知，管内的静压也是变化的。在软管段的静压比波纹管段和PEEP阀处的静压要大，弯曲的软管段压力变化较明显，越靠近入口处静压值越大。从软管与波纹管转接处到PEEP阀段的静压值趋于稳定。气路系统中局部静压分布云图见图5。

结合对气体流动方程和计算流体分析的结果来看：①压力检测器采样管与气流主管道是否垂直将影响采样数值的准确性；②不同采样位置测量到的压力值有差异，特别是在T组合内部软管弯曲段前端采样到的静压值比在波纹管和PEEP阀患者端的静压值要大。

2.3 测试验证

对上述结合了气体流动方程和流体分析得出的分析结果进行验证，设计如下测试方案。

测试方法：在T-组合婴儿复苏系统内部软管和附件组成的管路上分别取5个压力采样点，分别是靠近安全阀出口处的A采样点，靠近复苏流量接头入口的B采样点，靠近复苏流量接头出口的C采样点，PEEP阀进气端的D采样点，PEEP阀患者端的E采样点。VT Plus HF在压力采样点E测量压力。将压力检测器的采样软管更换不同采样角度分别接入A、B、C、D四个采样点，读取记录压力检测器和VT Plus HF测量显示的数值。

测试步骤：①T-组合婴儿复苏系统接上压缩气源，连接附件，将VT Plus HF接入采样点E；②将压力检测器用采样软管与主气流软管成夹角的方式接入采样点A；③将PIP设置成30cmH2O，封堵PEEP阀的开口，观察VT Plus HF和压力检测器中的数值并记录下来；④调节PEEP阀螺帽，将VT Plus HF中的数值分别调至20cmH2O、15cmH2O、10cmH2O、5cmH2O的接近值，同时记录下压力检测器中的数值；⑤将压力检测器采样管改成垂直于主气流软管接入方式，重复进行②③④操作；⑥更换采样点进行采样，重复②③④⑤操作。

在进行PIP数值测试时，不管压力检测器在哪个取样点测得的实际压力值都与VT Plus HF测得的压力值相等。由于压力检测器存在读数误差，压力检测器数值读数与VT Plus HF测得的压力值存在偏差。由上表数据可得压力检测器读数偏差范围为0.009～0.014。所以，在测试PEEP时，如果得到的读数偏差≤0.014，即可视为压力检测器读数与实际压力值一致。

从表格中测得的A采样点数据得知，压力检测器采样软管与主气流管道成夹角的采样方式测得的压力范围偏差为0.148～1.594；垂直采样方式的偏差范围为0.105～1.213。在A点垂直采样方式比夹角采样偏差范围要小。但两种方式的偏差都＞0.014，压力检测器显示的压力读数都不合格。

从表格中测得的B采样点数据得知，压力检测器采样软管与主气流管道成夹角的采样方式测得的压力范围偏差为0.098～1.007；垂直采样方式的偏差范围为0.006～0.013。在B点垂直采样方式比夹角采样偏差范围要小。夹角采样方式的偏差＞0.014为不合格，垂直采样方式的偏差范围＜0.014，压力检测器显示的压力读数合格。

从表格中测得的C、D采样点数据得知，压力检测器中测得的压力值偏差范围分别为0.001～0.014、0.001～0.013，都＜0.014，在这两个点压力检测器显示的压力读数都是合格的。

综合比较A、B两个采样点，可得知在相同位置时，垂直采样方式的偏差范围比夹角采样方式要小。用相同采样方式对比下，B点压力检测器读数偏差比A点小。从而可以看出采样方式和位置都是影响压力检测器读数的重要因素。

3.结论

从2.3实验测试数据中得出的数据对比结果，证明气体流动方程和计算流体分析的推论为正确，而压力检测器不同的采样方式和位置均会影响PEEP值的准确性。

为了节约复苏抢救时间，以及提高操作的方便性，T-组合婴儿复苏系统（BQ70）在内部进行压力采样。为了使压力检测器显示的压力值更接近患者端的PEEP，T-组合婴儿复苏系统（BQ70）在B采样点用垂直主气流管道的方式进行压力采样，压力检测器中的压力读数偏差范围为0.006～0.013，小于压力检测器允许的读数偏差为0.014，完全满足要求。