基于感兴趣区的呼吸机潮气量准确性评价方法研究

卜祥磊，黄二亮，谢鹏程，叶 华，全贞裕，谢卫华

（广州市妇女儿童医疗中心设备部，广州 510623）

0 引言

呼吸机是一种部分或完全代替患者自主呼吸的机械通气装置，在临床上多用于救治呼吸功能不全或呼吸衰竭的患者，其将医用空气和氧气混合，并将混合后的气体按一定的通气模式和呼吸气道力学参数输送给患者，用以辅助或强制患者呼吸，从而维持患者的呼吸功能，达到相应的临床目的。机械通气作为重要的生命支持手段之一，在救治患者的同时，也会带来一些并发症，如呼吸机相关肺损伤（ventilatorinduced lung injury，VILI）等[1-2]。相关研究发现，采用低潮气量（5～8 mL/kg）或限制平台压（不超过30～35 cm）的通气策略可显著降低急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）患者病死率，避免肺泡的过度扩张、反复萎陷和复张，减少甚至避免并发症的发生[3-4]。

潮气量是指患者单次吸入或呼出气体的体积，对呼吸机而言，指机器每次向患者输送的混合气体体积。潮气量为呼吸机的重要参数之一，其准确性与患者的生命安全密切相关。在操作者所选潮气量适当的前提下，呼吸机将该潮气量准确地输送给患者具有重要的临床意义。笔者对过去3 a 我院ICU 患者的体质量数据进行统计，发现95%的患者体质量低于25 kg，依据5～8 mL/kg 的低潮气量原则，其对应的潮气量范围小于200 mL。依据国家质检总局发布的JJF 1234—2018《呼吸机校准规范》，校准婴幼儿型呼吸机潮气量时，共选取50、100、150、200、300 mL 5个校准点，这种校准点选取方式显然不符合我院的实际情况。为此，笔者提出一种基于感兴趣区（region of interest，ROI）的呼吸机潮气量准确性评价方法，依照患者体质量分布选取潮气量校准点，缩小采样范围，增加采样密度，有针对性地对我院呼吸机的潮气量参数进行质控[5]。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取我院ICU 2017—2019 年收治的3 964 名患者为研究对象，获取其体质量数据，所选患者体质量最小为1.02 kg、最大为89.8 kg，年龄最小为1 d、最大为14 岁。选取10 台我院ICU 在用的德尔格Evita 4 型呼吸机，其潮气量精度（儿童范围）为设定值的±10%或±10 mL，取较大值。所选的质控设备为福禄克公司的VT Plus HF 气流分析仪，该设备低流速端口的测量精度为设备读数的±3%或±5 mL，取较大值。

1.2 方法

1.2.1 校准点的选择

利用统计软件SPSS 22.0 对我院2017—2019 年ICU 收治的3 964 名患者的体质量数据进行分析，获得其频率分布直方图，如图1 所示。图中数据显示，患者体质量数据呈现正偏态分布。同理，对2017—2019年各年度患者体质量数据分别进行统计，其结果同样呈正偏态分布。鉴于JJF 1234—2018 校准方法中选取的200、300 mL 潮气量校准点在我院ICU 实际工作中较少用到，本研究按照科室收治患者即潜在上机患者的体质量数据频率分布及低潮气量原则，将体质量数据累积百分比10%及90%处体质量对应的潮气量间的区域定义为感兴趣区，将数据累积百分比10%、30%、50%、70%、90%处体质量对应的潮气量选定为潮气量校准点对呼吸机进行检测。依照SPSS 22.0 的统计，2017—2019 年收治患者的体质量数据累积百分比10%、30%、50%、70%、90%处所对应体质量分别为2.5、3.9、6.0、10.1、19.0 kg，按8 mL/kg 的标准，其对应的潮气量分别为20、31、48、81、152 mL，但由于Evita 4 型呼吸机在儿童模式下其潮气量输出的下限为20 mL，所以需对校准点进行修正，即舍去体质量小于2.5 kg 的数据，修正后的患者数量为3 598 名，其体质量数据频率分布直方图如图2 所示。按上文所述方法选取校准点，各校准点对应体质量分别为3.0、4.3、6.5、11.0、20.0 kg，对应潮气量分别为24、34、52、88、160 mL。另外按照呼吸机和气流分析仪的精度，在呼吸机潮气量的设定值小于100 mL时，气流分析仪的测量值与呼吸机设定值之间的最大误差为15 mL，故而2 个相邻校准点之间的最小间距应为30 mL，为此对计算出的间距小于30 mL 的潮气量进行修正，修正后的潮气量校准点为24、54、84、114、160 mL。

图1 2017—2019 年患者体质量数据频率分布直方图（n=3 964）

图2 修正后的2017—2019 年患者体质量数据频率分布直方图（n=3 598）

1.2.2 校准流程

按图3 所示连接被校准呼吸机、气流分析仪和模拟肺，其中呼吸机所用管路为婴幼儿专用呼吸管路[6]。接通设备电源，按照说明书要求对相关设备进行开机预热。测量前对呼吸机参数进行如下设置：通气模式选定为间歇正压通气（intermittent positive pressure ventilation，IPPV），设定通气频率（f）为30 次/min，吸呼比（I∶E）为1∶1.5，呼气末正压（positive end-expiratory pressure，PEEP）为0.2 kPa，吸入气中的氧气体积分数FiO2为40%。根据用户手册对气流分析仪进行设置：在“气体设置”模块中选择气体类型为“N2bal O2”，被测气体温度、相对湿度及测量环境温度按实际情况进行设置；在“校正模式”模块中选择“BTPS”模式，完成该模块的设置。设定完毕后，分别对24、54、84、114、160 mL 等潮气量校准点及JJF 1234—2018中选取的50、100、150、200、300 mL 等潮气量校准点进行测量，记录呼吸机潮气量监测值和气流分析仪潮气量测量值。

图3 呼吸机与质控设备连接示意图

1.2.3 数据处理

依据JJF 1234—2018，每个校准点需分别记录3次呼吸机潮气量监测值和气流分析仪潮气量测量值，并求出这3 次监测值（测量值）的算术平均值，以此来计算潮气量相对示值误差。潮气量相对示值误差计算公式如下：

式中，δ 为被校准呼吸机潮气量相对示值误差；V¯o为被校准呼吸机潮气量3 次监测值的算术平均值；V¯m为气流分析仪潮气量3 次测量值的算术平均值。

对于输送潮气量≤100 mL 或者分钟通气量≤3 L/min 的呼吸机，当其潮气量误差允许范围按设备使用说明书要求以具体体积数值计算时，其潮气量输出误差的计算公式为

式中，δ'为呼吸机潮气量的输出误差。

2 结果

依据JJF 1234—2018 对呼吸机潮气量的校准要求，对于输送潮气量>100 mL 或者分钟通气量>3 L/min的呼吸机，相对示值误差不超过±15%；对于输送潮气量≤100 mL 或者分钟通气量≤3 L/min 的呼吸机，其误差允许范围应满足设备使用说明书要求。由JJF 1234—2018 及Evita 4 型呼吸机使用说明书技术参数可知，在Evita 4 型呼吸机输送潮气量≤100 mL或者分钟通气量≤3 L/min 时，其输出误差应不超过±10 mL。

本文校准方法检测结果显示，所检呼吸机在输送潮气量>100 mL 时，相对示值误差的最大值为-5.2%；在输送潮气量≤100 mL 时，其输出误差最大值为-2.9 mL。JJF 1234—2018 校准方法检测结果显示，所检呼吸机在输送潮气量>100 mL 时，相对示值误差的最大值为-4.7%；在输送潮气量≤100 mL时，其输出误差最大值为4.6 mL。2 种检测方法检出的呼吸机潮气量的误差范围均符合国家计量标准检测规范的要求，检测结果一致，且潮气量设定值接近的校准点，其潮气量输出误差或相对示值误差也较为接近。所检呼吸机的潮气量测量数据见表1。从表1 中可以看出，本文校准方法在ROI 内覆盖更多采样点，可获得更多ROI 内呼吸机潮气量的精度信息。检测中4 号机以24 mL 潮气量进行通气时，其潮气量测量值大于监测值，且潮气量输出误差明显大于同等通气参数下的其他各设备，另外在该潮气量校准点下氧电池测得的混合气体氧气体积分数远高于氧气体积分数设定值及其他潮气量校准点下的氧电池测量值，且氧电池测量值随呼吸机潮气量设定值的增大而逐渐减小至氧气体积分数设定值，这说明该设备空氧混合阀中的氧阀存在细微漏气问题，而这一问题JJF 1234—2018 校准方法未能检出。所检6 号呼吸机于2008 年投入使用，2 种方法的检测结果显示，该设备的潮气量输出误差或相对示值误差相比总体检测结果而言较大，怀疑是设备老化、空氧混合阀的流量控制功能变差导致。

表1 所选呼吸机潮气量检测结果

3 讨论

在机械通气过程中，以适当的潮气量向患者供气意义重大。相关研究表明，在患儿ARDS 的治疗中，采用低潮气量机械通气的治疗效果理想，可有效改善患儿的血气等临床指标，降低患儿的病死率[7]。在设定值合适的前提下，将设定的潮气量无偏移地输送给患者同样重要，实际工作中定时对呼吸机输出参数进行质控校准，可减少参数漂移，提高呼吸机运行的可靠性，确保患者诊治安全[8-9]。本研究根据所在医院的患者特点，探索性地将质控校准时潮气量的采样范围进行压缩，缩短采样步长，以此来增加有效区域即ROI 的采样点数，便于清晰了解ROI 呼吸机潮气量的准确性情况。从校准结果看，所检呼吸机的潮气量误差均在国家计量标准规定的范围内，与根据JJF 1234—2018 所选校准点进行校准的结果一致，但根据本文校准方法更易检出空氧混合阀是否存在漏气隐患。假设校准时设定的吸气流量为6 L/min、潮气量为24 mL，其他通气参数与校准流程部分所设一致，则理想状态下的吸气相空氧混合阀阀门打开时间为0.24 s、阀门关闭时间为0.56 s，以潮气量最大允许误差10 mL 计算，空氧混合阀在闭合状态下允许的最大漏气量为1 L/min，而潮气量设定为50 mL 时，空氧混合阀1 L/min 漏气量获得的潮气量误差为5.4 mL，所以应用本文校准方法更易检出空氧混合阀的工作状态，可弥补JJF 1234—2018 校准方法的不足。

本研究所用气流分析仪可测量压力、气体流量和氧气体积分数等基本参数，并由这些基本参数计算出其他参数。气流分析仪通过测量跨越阻力筛网的压差进行流量测量，测得的压差与气体体积流量近似呈线性关系。在应用气流分析仪进行测量时，需设置好气体的类别、温度和湿度，因为这些参数会影响被测气体的黏度，从而影响气流分析仪流量传感器的测量精度。气流分析仪可根据用户设置的气体参数对所测气体流量值进行补偿，并最终根据呼吸机类型将流量计算结果修正到对应标准状态下。根据气流分析仪的应用指南，测量Evita 4 型呼吸机时，所选的校准模式为“BTPS”，即将所测气体流量最终修正至37 ℃体温、1 标准大气压、100%气体相对湿度的状态下的流量[10]。

本研究用来计算潮气量的体质量为实际体质量，而非理想体质量，这种方式计算出的潮气量与患者的肺容量不匹配。在实际工作中，建议采用适当方法对患儿体质量数据进行修正，从而获取理想的潮气量校准点，确保更科学地对呼吸机进行评价[11-12]。另外，本研究设置呼吸机通气参数时，所选流速为固定流速，而Evita 4 型呼吸机的流速与设备中空氧混合阀内推杆的位移密切相关，但它们之间并非线性相关，此次研究未能对不同流速下的潮气量准确性进行评价[13]，建议后续增加该方面的测试，以完善研究过程，提高研究的严谨性。

4 结语

呼吸机作为临床使用的高风险设备，其输出参数是否准确直接影响患者的生命安全。机械通气过程中，若呼吸机输送的潮气量不准确，会导致患者通气过度或通气不足，给患者的治疗带来不利影响，因此依据相关标准规范做好呼吸机的质量控制，确保在用呼吸机各项参数安全有效意义重大[14-15]。本文通过对我院ICU 潜在上机患者体质量数据的统计分析，按潜在上机患者的体质量数据频率分布设定潮气量ROI，缩小ROI 内潮气量采样范围，增加该区域的采样密度。本研究有针对性地提出了潮气量的测试思路和方法，虽然所选样本量较少，需扩大校准设备数量来提高结论的可靠性和科学性，但研究中所提出的分析方法仍具指导意义，将有助于实现呼吸机潮气量的差异化检测。