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肺功能仪检测原理与常用仪器
1
肺功能试验的临床意义
肺功能检查是临床上胸肺疾病及呼吸生理的重要检查内容。<
/p>
对于早期检出肺、
气道病变，
鉴别呼吸困
难的原因，
诊断病变部位，
评估疾病的病情严重度及其预后，<
/p>
评定药物或其它治
疗方法疗效，
评估肺功
能对手术的耐受力或劳动强度耐受力及对危重病人的监护等，
肺功能
检查均是必不可少的。其结果判断参考同种人群肺功能正常值。
肺功能检查通常包括通气功能、<
/p>
换气功能、
呼吸调节功能及肺循环功能。
检查项目繁多、
临床上最为常用的是通气功能检查，
它可对大多
数胸肺疾病作出诊断；
其它检查如弥散功能
测定、闭合气量测定
、气道阻力测定、膈肌功能测定、运动心肺功能试验、气道反应性测定
等，可对通气功能
检查作不同程度的补充。此外，血气分析亦是肺功能检查的一部分。
随着电子计算机技术的发展及临床
对肺功能评估认识的不断深入，
肺功能检测已成为临
床肺部疾病
三大诊断之一
(
另二者为病因诊断和病理诊断
< br>)
。
2
肺功能仪的组成部分
肺功能的试验仪器主要由肺量计、
气
体分析仪及压力计组成，
通过它们的组合，
可测出
肺功能的大多数指标，
如肺容量、
通气、
弥散、
呼吸肌肉力量、
氧耗量、
< br>二氧化碳产生量等，
其中肺量计在肺功能检测中最为常用。
2.1
肺量计：
肺量计是指用于测定肺容量的容量或流量计的仪器。
按物理学定
律，
设某一瞬间的体积
流量为
Q
，一定时间
t
内流过的流体的体积为
V
，则
V=∫Qdt
或
Q=dV/dt
；而体积流量是流
体流
速
(V)
与流经截面积
(A)
体的流速及吸
/
呼气体时间可求出吸
/
呼气容量；反之亦然。
2.1.1
容量测定型肺量计
容量测定型肺量计先测定流体的体积，而后得出流量。
2.1.1.1
水封式肺量计
(water-sealed
spirometer)
：
这种肺量计结构简单、测量准确，但测量指标较少，
不易于自动转换为流速参数，
其容
量所测为室温
容量
(ATPS
状态
)
，应将其矫正为体温容积
(BTPS
状态
)
。目前已较少使用，仅
在一些基层医院或生理实验
室中尚有使用，
如
Collins
肺量
计。
其构造如图
1
，
< br>钠石灰是
CO2
吸收剂，鼓风机用于减少机器的阻力，容
量的变化记录于记纹鼓，这种设备的死腔量较大，
一般为
6L<
/p>
～
8L
。
由水将
浮筒内外分隔，带有单向阀的管道与盛有
CO2
吸收剂的容器相
连，浮筒内与病
者以密封闭回路方式相连。
浮筒经一滑轮悬拉，
连至另一端与记录笔相连，
记录笔可将浮筒
位置的改变记录于记纹鼓上。
当病人从浮筒中吸气或呼气时记录笔垂直上下移动，<
/p>
移动的幅
度取决于吸
/
< br>呼气的容量大小。
记纹鼓与一电机相连，
电机转动时记纹鼓转动的速度恒定，
并可选择不同速度，
由描记
笔水平记录。
此为描记图的时间轴，
而描记笔的垂直运动为插记图的容量轴，
测试中描记出
时间
—
容
量曲线，从中可求出多个容量及流速参数。
2.1.1.2
干式滚桶式肺量计
(dry-rolling seal
spirometer)
：
见图
2
。病
人呼出的气体使活塞移动，活塞由滚桶隔样的密封器与圆桶密封。电压计检
测活塞的移动
，活塞移动时产生的电压信号可反映移动量的大小，间接反映呼吸气体容量。
活塞面常较
大，
以减少活塞运动时的机械阻力。
Gould
9000
，
FUDAC
50
，
ERS-1000,Ohio 800
< br>系列等肺量计属此类型。使用此类型肺功能仪时，病人呼吸为密封式，易发生交叉感染。
< br>
2.1.2.
流速测定型肺量计
流速式流量计则先测出流经截面积
一定的管路的流体速度，
然后求出流量，
也称为间接
测量式流量计。
2.1.2.1
压差式流量计
(pressure differential
flowmeter)
：
利用在一定形状的流通管道中气流的压力降落与流速的依从关
系测定流量。
压差式传感
器包括两部分：
流量传感器：
实现气体流速与压差的一次变换，
根据流经该变
换器的气流速
度大小不同，变换器两端敏感出相应的压力差，即压差信号。
压差传感器：
将与流量成一定
比例关系的压差信号转
换成一定的电信号，经处理后以数字或曲线图形显示。
Fleish pneumotachograph
是较为常用的压差式流量计
(
图
3)
。
此流量计的流速传感器上有
一筛状隔网，
气流通过该网时受网的阻力而流速下降，
结果
使网眼的另一端的压力轻微下降。
网眼两端形成压降差。压差传感器可据此压差感应，产
生电信号。流速越快，压降越大，则
产生压差电信号越强。
气流
应尽可能是层流，
锥形体的保护网及毛细网可提供此种气流方式，
流量计上的加热器可加温毛细网，
避免呼出的饱和水蒸汽在筛状隔网上冷凝沉积，
阻塞网眼。
该隔网清洁消毒较为困难，另外在高流量测定时误差偏大
。
Fleish pneumotachograph
可用于测量
气体流速，容量及呼吸频率，与其它分析仪结合可
作诸如残气量、气体分布等测定。
Grould 2800,Sensormedics
6200
，
Medgraphs FUKUDA
ST-350
，
ST-90 Multispiro-SX
系列，
Vitalograph
等肺功能仪
属此类压差流量计。
2.1.2.2
热敏式流量计
(thermal
flowmeter)
：
此计依据热量传导与气体流量相关的原理设计
(
图
4)
。
< br>核心部分为温度依赖性电阻元件，
热线
(hot
wire)
或热珠
(thermistor bead)
接通电源时该元件加温，
当气流通过热敏件时可使其温
度下降，并改变电阻
(
热珠温度下降时电阻增加，热线
温度下降时电阻减少
)
。维持热线温度
的电流的变化与气体流速成正比。
热线式传感器易受外环境因素影响，
< br>如气压的改变，
海拔
高度，气体密度
(
如呼出气氧浓度不同
)
等。
，在环境温度、压力与标定温度、压力相差较多
时其流速
(
或容量
)
测定值可发生
偏差，应对测量值进行标化补偿，温度、压力修正。此外该
传感器在低流量测定时线性反
应稍差。
Minato
AS
系列肺功能机，
Gould 218X
系列，
SensormedicsVmax229
等属热敏
式肺量计。
2.1.2.3
叶轮式和涡轮式流量计
(V
ortex
shedding)
。
依据转动部件
(
叶轮或涡轮
)
的转动速度与流体速度成正比的特性进行测量
。气流通过时
推动叶轮或涡轮转动，
叶轮式采用光电调调制原理
，
通过光电效应，
涡轮式采用磁电调制原
理，
通过磁电效应，
把叶轮或涡轮的机械转动信号转换成电信
号输出。
由于叶轮的运动惯性
和转轴与轴承间摩擦力矩等因素，
会影响传感器的精度。
此种误差部分可通过电子线路予以
补偿。但气流停止通过时涡轮仍可有惯性转动而发生误差，且不能内定标，是其缺点。如
Chest
Hi-298,498
等肺功能机。
2.2
气体分析仪
目前常用的气体分析仪按其分析原理可分为以下数种：
2.2.1
物理气体分析仪：如顺磁性氧浓度计，当氧分子通过一磁场时，在磁场力的作用
下，
因氧有顺磁性，向磁力强区聚集，而非磁性气体如氮气则聚向弱磁区。
2.2.2
电子分析仪：依热导性原理测量及惠
—
斯电桥以比较不同气
体通过两线的电流阻
力。
2.2.3
电化学分析仪：利用电
极
—
介质介面上进行的电化学反应，将被测介质
(
如
O2)
的
化学量转变成电量。基本测量系统包括电解质溶液、电极、及测量电路。一旦启用，由于不
断进行的化学反应消耗电解质溶液和电极，此传感器使用寿命较短
(
一般半年至一年
)
。
2.2.4
质谱仪：
中性的气体原子在电子被俘获后形成离子，
在磁场
力的作用下发生偏传，
不同的气体偏转角度各异。利用此原理可将各气体组分分开并定量
测定。
2.2.5
气相色谱仪：利用混合气体中各组分在互不相溶的
二相之间分配的差异而使各气
体成分分离。
2.2.6
红外
CO2
监测仪：利用
CO2<
/p>
对红外线的吸收原理检测。
2.3
压力计：是指测量流体压力的仪器。临床医学中主要作
呼吸肌肉力量测定和肺顺应性测
定。
2.3.1
U
型管压力计：以水或水银作工作介质。多用作测量压力的标准器，但读数和记
录不方
便。
2.3.2
膜片偏位式压力计：通过相应于被测压力的感应元
件的膜片位移，把位移信号转
换成电信号输出，并作指示和记录。
3
肺功能仪的技术要求
3.1
容量测定：
肺量计容量测定能力应＞
8L
；
任何容量测定的误差＜
2%
，或
< br>±
50ml(
取两者中最大者
)
；
分辨率
25ml
最低驱动压
0.03kPa
；
定标筒容量应＞
1l
3.2
时间测定：
误差＜
2%
；
FVC
测
定记录时间＞
14s
；
3.3
流量计
测定范围：
0
～
15l/s
；
误差＜
4%
，或
±
0.07l/s(
取两者中最大
者
)
；
3.3.1
压差式流量计：
阻力＜
0.1kpa/l/s
；
应有预热，以预防水蒸汽沉积；
3.4
气道阻力测定：
范围
0
～<
/p>
2kPa/l/s;
误差
±
0.01kPa/l/s
3.5
气体分析：
肺容量测定时
CO2
＜
0.5%
He
测定范围
0
～
10%
，误差应＜
1%
；
C
O
测定范围
0
～
0.3%
，误差应＜
1%
；
气体循环量最少
180l/min
4
常用的肺功能仪［
11
］
：
4.1
Sensormedics 2200
型肺功能仪
(
美国
Sensormedics
公司
)
：
由热线式双流量测定计，
多种气体红
外线分析仪组成。
可作通气功能
(
包括
流速
/
容量环、
肺活量及最大通气量<
/p>
)
、一次呼吸法弥散功能、通气分布及闭合气量、肺容量
(
包括残气量及
功能残气量
)
等测定。
并可通过内呼吸弥散技术
(
无需要屏气
)
，
< br>作弥散功能及心排量测定。
该
系统可作气体浓度、流量定
标，其中气体分析器可自动定标。气体分析仪可分析
N2
，
CO
，
CH3
，<
/p>
C2H2
等，采样量少于
200ml
，这利于对呼出容量较少的对象如限制型通气功能障碍
者或小儿病者
作呼出气分析。系统响应时间为
200ms
～
< br>300ms
。
呼吸回路为单向无管道式设计，
易于
清洁消毒，
避免交叉感染，
且死腔量少
(
只有
130ml)
。
该系统支持软件丰富，可作数据统计及预计值编辑等。
技术指标：流量计精度
±
0.3%
或
0.1l/
s
，量程
0.1
～
16l/s,
分辨率
0.3l/s
，容量精度
±
3%
或