基于模拟人体肺内气体状态的肺功能仪测试系统设计

顾加雨 张 超 夏 炎

肺功能仪是呼吸系统疾病的诊断设备，主要由肺量计及气体分析器等部件组成，可以测出肺活量、最大分钟通气量及用力肺活量等的相关呼吸生理指标，对于早期检查出的肺部及气道病变，诊断病变部位以及评估疾病的严重程度均具有重要的临床意义[1-2]。

随着医疗卫生技术的发展，肺功能仪的技术性能及检测项目也在不断提高与增加，肺功能仪已经广泛应用于医疗卫生诊断和人体生理科学研究等领域。计量是科学诊断的保证，计量为医疗设备质量控制提供量化指标。由于肺功能仪的生产厂商众多，产品之间性能差异较大，导致不同医院的肺功能测试结果相差甚远，直接影响临床诊断的准确性，因此，肺功能仪的计量校准非常重要[3]。为了加速肺功能仪测试的标准化，美国胸科协会(American Thoracic Society，ATS)和欧洲呼吸学会(European Respiratory Society，ERS)先后制订了肺功能仪的质量检测标准，对其质量控制提出了明确要求，促进了肺功能仪的临床应用[4]。我国制定的“肺功能仪校准规范”(JJF1213-2008)[5]解决了肺功能仪质量控制和量值溯源问题。目前，国内外使用的肺功能仪定标检测仪器主要有依据校准规范研制的SCD-A型肺功能仪校准装置(中国测试技术研究院)[6-7]和1120型流量容积模拟装置(美国Hans公司)两种。然而，现有的肺功能仪测试系统均未进行人体肺内气体模拟，未能反映人体内部气体温度和湿度的修正，故而影响精确测量的准确度。为此，本研究设计一种模拟人体肺内气体状态、带有温度和湿度传感器的测试系统，可通过加热、冷却和加湿装置进行气筒内气体温度和湿度控制，进而提高测量水平，并使其达到人体体温、大气压及水蒸气饱和状态(body temperature，pressure，water vapour-saturated，BTPS)[8]。

1 肺功能仪测试系统设计

1.1 设计思路

人体通过胸腔肋骨间肌肉的扩张和收缩来改变胸腔和肺泡的体积，并从外界吸入气体或向外界环境呼出气体，从而完成空气的交换，最终实现人体呼吸运动，为人体提供所需的氧气[9-10]。设计的肺功能仪测试系统是一种模拟人体肺内气体状态的肺功能仪测试仪，其中包括腔体、位于腔体内的活塞、温度调节装置、湿度调节装置、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、丝杠机构、驱动电机和控制器等部件，见图1。

图1 肺功能仪测试系统结构示意图

1.2 系统性能

肺功能测试系统中的腔体代表人体的器官肺，由伺服电动机驱动活塞在腔体内来回运动，使其内部的空气与压强差不断改变，从而实现空气的流动和交换。同时通过温度传感器、湿度传感器及压力传感器，以检测腔体内的温、湿度和气体压力，并能够进行湿度补偿和温差修复。该系统能够更加贴合人体呼吸运行的肺活量的实际测量，使检测结果更加可靠。

2 肺功能仪测试系统功能模块设计

2.1 腔体

腔体为密封腔体，腔体内部设置有可滑动的活塞，丝杠穿过腔体底部与活塞传动连接，腔体底部安装有丝杠传动机构，丝杠传动机构与驱动电机传动连接，驱动电机带动丝杠传动机构转动进而驱动丝杠和活塞实现轴向往复运动，腔体远离丝杠传动机构一侧的腔壁上安装有气管，气管与腔体内部空间连通，气管与待测肺功能仪的进气端连接。腔体采用航空铝材或聚四氟乙烯材料制成，腔体底部固定在安装架上，安装架底部设有滚轮，安装架采用镂空结构，在保证实用性和耐用性的基础上减轻装置重量。

2.2 温度和湿度传感器

腔体内设置有温度传感、湿度传感器以及压力传感器，传感器均设置在气管内并与其控制器相连接。湿度传感器控制器通过控制加湿设备的工作状态进而控制腔体内的气体湿度。温度传感器共有两个，分别设置在腔体内活塞两侧空间内，两组温度传感器能够精准测量出腔体内的温度变化，提高准确度。加湿设备为湿化器，湿化器的出气管连接在气管与腔体的连接处。压力传感器与检测终端信号连接，能够实时检测腔体内的气压数据并发送到检测终端。

2.3 丝杆

丝杠传动机构中使用定位管，尾部固定在腔体底板的中央位置，定位管的端部向外延伸形成环形挡板。定位管的端部外套有旋转套筒，旋转套筒与定位管的连接端向内延伸形成环形卡板，环形挡板阻档环形卡板向外滑动，且环形卡板夹在两组滚子轴承之间。定位管外侧设置有限位套筒，限位套筒通过限位螺钉固定在定位管侧壁上。两组滚子轴承夹在限位套筒的侧壁和环形挡板之间，旋转套筒内壁固定安装有内套筒，内套筒的内径与定位管内径相同而且其内壁加工有螺纹。丝杠与内套筒通过螺纹传动连接，丝杠依次穿过内套筒和定位管与活塞固定连接，内套筒和旋转套筒通过定位环固定连接，定位环通过螺钉固定安装在内套筒和旋转套筒的端面，旋转套筒外侧面与传动齿轮啮合连接，传动齿轮与电机输出轴固定连接，电机输出轴与驱动电机传动连接。在传动齿轮带动旋转套筒转动时，旋转套筒和丝杠发生相对转动，由于旋转套筒不能发生轴向位移，因此会驱动丝杠在轴向发生位移，进而带动活塞做往复运动，见图2。

图2 肺功能仪测试系统丝杠传动机构结构图

2.4 控温管路

腔体的外侧面设置有控温管路，控温管路为加热管和冷却管并排环绕形成的螺旋形管路，加热管和冷却管均为独立管路，见图3。

图3 肺功能仪测试系统加热管及冷却管控制器结构图

加热管端口和冷却管端口均设置有电磁阀和控制器，冷却管电磁阀和加热管电磁阀均与温度传感器控制器信号相连接。温度传感器控制器控制冷却管电磁阀和加热管电磁阀的工作状态，加热管及冷却管控制器连接有冷液源以及热液源，加热管及冷却管控制器内设置有两组水泵，分别将冷液源的冷夜泵入冷却管内，将热液源的热液泵入加热管内。加热管及冷却管控制器内设置有热源水泵和冷源水泵，热源水泵的进水端与热液源连接，热源水泵的出水端与溢流阀连接。第一溢流阀设置在加热管回路内，通过第一溢流阀溢流的热液通过加热管流入热液源，第一溢流阀的溢流管与加热管的连通处设置在热液源与加热管电磁阀之间。冷源水泵的进水端与冷液源连接，冷源水泵的出水端与第二溢流阀连接，第二溢流阀设置在冷却管回路内。通过第一溢流阀溢流的热液通过冷却管流入冷液源，第二溢流阀的溢流管与冷却管的连通处设置在冷液源与冷却管电磁阀之间。当第一溢流阀或第二溢流阀打开后，在冷源水泵或热源水泵的驱动下，实现冷液或热液的循环流动；当第一溢流阀或第二溢流阀关闭后，溢流阀开启，将冷液或热液流回冷液源或热液源内。

控温管路由两条相互平行的螺旋管路组成，两条相互平行的螺旋管路分别为加热管和冷却管，相邻螺旋管路之间设置有散热筋，相邻的散热筋形成螺旋形凹槽，加热管和冷却管固定安装在螺旋形凹槽内。散热筋可增大腔体外部与冷却管、加热管之间的接触面积，以提高加热效率，同时保证温度调节的均匀性，可避冷却管与加热管相互接触。

2.5 驱动电机

驱动电机为步进电机，与编码器信号连接，编码器能够控制步进电机的转动速度、转动频率、转动距离以及转动方向。在软件中输入控制参数，由控制软件驱动控制器并向编码器发送驱动信号，使步进电动机转动，带动齿轮传动，使腔体内的活塞运动，最终吸入或排出空气；同时，编码器向驱动器返回电动机的运动参数及运动状态。

3 结论

肺功能仪是检测患者肺功能的主要手段，其性能的优劣会直接影响患者的诊断结果，故肺功能仪的质量控制非常重要。本研究设计的一种模拟人体肺内气体状态的肺功能仪测试系统通过加热和加湿等控制装置来调节气体温度和湿度，不仅能够完成肺功能仪参数的校准，还可以模拟人体肺内BTPS的气体状态，同时轻便便携，易于现场进行肺功能仪的校准。