肺功能儀檢測原理及常用儀器

1、肺功能儀檢測原理與常用儀器1 肺功能試驗的臨床意義肺功能檢查是臨床上胸肺疾病及呼吸生理的重要檢查內(nèi)容。對于早期檢出肺、氣道病變，鑒別呼吸困難的原因，診斷病變部位，評估疾病的病情嚴重度及其預后，評定藥物或其它治療方法療效，評估肺功能對手術的耐受力或勞動強度耐受力及對危重病人的監(jiān)護等，肺功能檢查均是必不可少的。其結果判斷參考同種人群肺功能正常值。肺功能檢查通常包括通氣功能、換氣功能、呼吸調(diào)節(jié)功能及肺循環(huán)功能。檢查項目繁多、臨床上最為常用的是通氣功能檢查，它可對大多數(shù)胸肺疾病作出診斷；其它檢查如彌散功能測定、閉合氣量測定、氣道阻力測定、膈肌功能測定、運動心肺功能試驗、氣道反應性測定等，可對通氣功能檢

2、查作不同程度的補充。此外，血氣分析亦是肺功能檢查的一部分。隨著電子計算機技術的發(fā)展及臨床對肺功能評估認識的不斷深入，肺功能檢測已成為臨床肺部疾病三大診斷之一(另二者為病因診斷和病理診斷)。2 肺功能儀的組成部分肺功能的試驗儀器主要由肺量計、氣體分析儀及壓力計組成，通過它們的組合，可測出肺功能的大多數(shù)指標，如肺容量、通氣、 彌散、 呼吸肌肉力量、氧耗量、二氧化碳產(chǎn)生量等，其中肺量計在肺功能檢測中最為常用。2.1 肺量計：肺量計是指用于測定肺容量的容量或流量計的儀器。按物理學定律，設某一瞬間的體積流量為Q, 一定時間t內(nèi)流過的流體的體積為V 則V=/ Qdt或Q=dV/dt ;而體積流量是流體流速

3、 (V) 與流經(jīng)截面積(A) 體的流速及吸/呼氣體時間可求出吸/呼氣容量；反之亦然。2.1.1 容量測定型肺量計容量測定型肺量計先測定流體的體積，而后得出流量。2.1.1.1 水封式肺量計(water-sealed spirometer)：這種肺量計結構簡單、測量準確，但測量指標較少，不易于自動轉(zhuǎn)換為流速參數(shù)，其容量所測為室溫容量(ATPS 狀態(tài))，應將其矯正為體溫容積(BTPS 狀態(tài))。目前已較少使用，僅在一些基層醫(yī)院或生理實驗室中尚有使用，如 Collins 肺量計。 其構造如圖1 ， 鈉石灰是CO2吸收劑，鼓風機用于減少機器的阻力，容量的變化記錄于記紋鼓，這種設備的死腔量較大，一般為6L

4、8L。由水將浮筒內(nèi)外分隔，帶有單向閥的管道與盛有CO2 吸收劑的容器相連，浮筒內(nèi)與病者以密封閉回路方式相連。浮筒經(jīng)一滑輪懸拉，連至另一端與記錄筆相連，記錄筆可將浮筒位置的改變記錄于記紋鼓上。當病人從浮筒中吸氣或呼氣時記錄筆垂直上下移動，移動的幅度取決于吸/呼氣的容量大小。記紋鼓與一電機相連，電機轉(zhuǎn)動時記紋鼓轉(zhuǎn)動的速度恒定，并可選擇不同速度，由描記筆水平記錄。此為描記圖的時間軸，而描記筆的垂直運動為插記圖的容量軸，測試中描記出時間 容量曲線，從中可求出多個容量及流速參數(shù)。2.1.1.2 干式滾桶式肺量計(dry-rolling seal spirometer) ：見圖2。病人呼出的氣體使活塞移動

5、，活塞由滾桶隔樣的密封器與圓桶密封。電壓計檢測活塞的移動，活塞移動時產(chǎn)生的電壓信號可反映移動量的大小，間接反映呼吸氣體容量?；钊娉］^大，以減少活塞運動時的機械阻力。Gould 9000， FUDAC 50 ， ERS-1000,Ohio 800系列等肺量計屬此類型。使用此類型肺功能儀時，病人呼吸為密封式，易發(fā)生交叉感染。2.1.2 . 流速測定型肺量計流速式流量計則先測出流經(jīng)截面積一定的管路的流體速度，然后求出流量，也稱為間接 測量式流量計。2.1.2.1 壓差式流量計（pressure differential flowmeter） ：利用在一定形狀的流通管道中氣流的壓力降落與流速的依從關

6、系測定流量。壓差式傳感器包括兩部分：流量傳感器：實現(xiàn)氣體流速與壓差的一次變換，根據(jù)流經(jīng)該變換器的氣流速度大小不同，變換器兩端敏感出相應的壓力差，即壓差信號。壓差傳感器：將與流量成一定比例關系的壓差信號轉(zhuǎn)換成一定的電信號，經(jīng)處理后以數(shù)字或曲線圖形顯示。Fleish pneumotachograph 是較為常用的壓差式流量計（圖 3）。 此流量計的流速傳感器上有一篩狀隔網(wǎng)，氣流通過該網(wǎng)時受網(wǎng)的阻力而流速下降，結果使網(wǎng)眼的另一端的壓力輕微下降。網(wǎng)眼兩端形成壓降差。壓差傳感器可據(jù)此壓差感應，產(chǎn)生電信號。流速越快，壓降越大，則產(chǎn)生壓差電信號越強。氣流應盡可能是層流，錐形體的保護網(wǎng)及毛細網(wǎng)可提供此種氣流方

7、式，流量計上的加熱器可加溫毛細網(wǎng)，避免呼出的飽和水蒸汽在篩狀隔網(wǎng)上冷凝沉積，阻塞網(wǎng)眼。該隔網(wǎng)清潔消毒較為困難，另外在高流量測定時誤差偏大。Fleish pneumotachograph 可用于測量氣體流速，容量及呼吸頻率，與其它分析儀結合可作諸如殘氣量、氣體分布等測定。Grould 2800,Sensormedics 6200， Medgraphs FUKUDA ST-350 ， ST-90 Multispiro-SX 系列， Vitalograph 等肺功能儀屬此類壓差流量計。2.1.2.2 熱敏式流量計（thermal flowmeter） ：此計依據(jù)熱量傳導與氣體流量相關的原理設計（圖

8、4）。 核心部分為溫度依賴性電阻元件，熱線（hot wire）或熱珠（thermistor bead）接通電源時該元件加溫，當氣流通過熱敏件時可使其溫度下降，并改變電阻（熱珠溫度下降時電阻增加，熱線溫度下降時電阻減少）。維持熱線溫度的電流的變化與氣體流速成正比。熱線式傳感器易受外環(huán)境因素影響，如氣壓的改變，海拔高度，氣體密度（如呼出氣氧濃度不同）等。，在環(huán)境溫度、壓力與標定溫度、壓力相差較多時其流速（或容量）測定值可發(fā)生偏差，應對測量值進行標化補償，溫度、壓力修正。此外該傳感器在低流量測定時線性反應稍差。Minato AS 系列肺功能機，Gould 218X 系列， SensormedicsV

9、max229 等屬熱敏式肺量計。2.1.2.3 葉輪式和渦輪式流量計（Vortex shedding） 。依據(jù)轉(zhuǎn)動部件（葉輪或渦輪）的轉(zhuǎn)動速度與流體速度成正比的特性進行測量。氣流通過時推動葉輪或渦輪轉(zhuǎn)動，葉輪式采用光電調(diào)調(diào)制原理，通過光電效應，渦輪式采用磁電調(diào)制原理， 通過磁電效應，把葉輪或渦輪的機械轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。由于葉輪的運動慣性和轉(zhuǎn)軸與軸承間摩擦力矩等因素，會影響傳感器的精度。此種誤差部分可通過電子線路予以補償。但氣流停止通過時渦輪仍可有慣性轉(zhuǎn)動而發(fā)生誤差，且不能內(nèi)定標，是其缺點。如Chest Hi-298,498 等肺功能機。2.2 氣體分析儀目前常用的氣體分析儀按其分析原理

10、可分為以下數(shù)種：2.2.1 物理氣體分析儀：如順磁性氧濃度計，當氧分子通過一磁場時，在磁場力的作用下，因氧有順磁性，向磁力強區(qū)聚集，而非磁性氣體如氮氣則聚向弱磁區(qū)。2.2.2 電子分析儀：依熱導性原理測量及惠 斯電橋以比較不同氣體通過兩線的電流阻力。2.2.3 電化學分析儀：利用電極 一介質(zhì)介面上進行的電化學反應，將被測介質(zhì)（如O2）的化學量轉(zhuǎn)變成電量。基本測量系統(tǒng)包括電解質(zhì)溶液、電極、及測量電路。一旦啟用，由于不斷進行的化學反應消耗電解質(zhì)溶液和電極，此傳感器使用壽命較短（一般半年至一年）。2.2.4 質(zhì)譜儀： 中性的氣體原子在電子被俘獲后形成離子，在磁場力的作用下發(fā)生偏傳，不同的氣體偏轉(zhuǎn)角度

11、各異。利用此原理可將各氣體組分分開并定量測定。2.2.5 氣相色譜儀：利用混合氣體中各組分在互不相溶的二相之間分配的差異而使各氣體成分分離。2.2.6 紅外 CO2 監(jiān)測儀：利用CO2 對紅外線的吸收原理檢測。2.3 壓力計：是指測量流體壓力的儀器。臨床醫(yī)學中主要作呼吸肌肉力量測定和肺順應性測 定。2.3.1 U 型管壓力計：以水或水銀作工作介質(zhì)。多用作測量壓力的標準器，但讀數(shù)和記錄不方便。2.3.2 膜片偏位式壓力計：通過相應于被測壓力的感應元件的膜片位移，把位移信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，并作指示和記錄。3 肺功能儀的技術要求3.1 容量測定：肺量計容量測定能力應8L;任何容量測定的誤差v 2%

12、,或±50ml（取兩者中最大者）；分辨率 25ml最低驅(qū)動壓0.03kPa；定標筒容量應113.2 時間測定：誤差v 2%;FVC測定記錄時間14s；3.3 流量計測定范圍：0151/s；誤差V 4%,或 10.071/s（取兩者）；3.3.1 壓差式流量計：阻力 v 0.1kpa/1/s ;應有預熱，以預防水蒸汽沉積；3.4 氣道阻力測定：范圍 02kPa/1/s;誤差 ± 0.01kPa/1/s3.5 氣體分析：肺容量測定時 CO2V0.5%He測定范圍010%,誤差應v 1%;CO測定范圍00.3%,誤差應v 1%;氣體循環(huán)量最少1801/min4 常用的肺功能儀11

13、 ：4.1 Sensormedics 2200 型肺功能儀（美國Sensormedics 公司）：由熱線式雙流量測定計，多種氣體紅外線分析儀組成?？勺魍夤δ埽ò魉?容量環(huán)、肺活量及最大通氣量）、一次呼吸法彌散功能、通氣分布及閉合氣量、肺容量（包括殘氣量及功能殘氣量）等測定。并可通過內(nèi)呼吸彌散技術（無需要屏氣）， 作彌散功能及心排量測定。該系統(tǒng)可作氣體濃度、流量定標，其中氣體分析器可自動定標。氣體分析儀可分析N2， CO，CH3, C2H2等，采樣量少于 200ml,這利于對呼出容量較少的對象如限制型通氣功能障礙 者或小兒病者作呼出氣分析。系統(tǒng)響應時間為200ms300ms。呼吸回路為單向

14、無管道式設計，易于清潔消毒，避免交叉感染，且死腔量少（只有130ml）。該系統(tǒng)支持軟件豐富，可作數(shù)據(jù)統(tǒng)計及預計值編輯等。技術指標：流量計精度 M.3%或0.11/s,量程0.1161/s,分辨率0.31/s,容量精度 冷或50ml,氣道通道阻力v 1.5cmH2Ol/s（在12l/s時）。氣體分析器精度 如006% ,量程：0.00 0.33%,分辨率:0.0005%。采樣流量 100ml 500ml/min ,響應時間v 300ms（500ml/min 時）。 氮分析儀精度=t2%,量程095%,分辨率0.1%,響應時間45ms。4.2 Sensormedics 6200 體積描記儀（美國S

15、ensormedics 公司 ）：由壓力/流量型體積描記儀、熱線式流量計及多種氣體分析儀組成，可測量時間肺活量，流速容量環(huán)（口流速-口容量，口流速-肺容量，肺流速-肺容量）最大自主通氣量，胸腔內(nèi)壓縮容量， 平靜呼吸或淺促呼吸之氣道阻力，靜態(tài)及動態(tài)肺順應性，一次呼吸法彌散力，內(nèi)呼吸法氣體分布，支氣管擴張劑吸入前/后比較等，因此參數(shù)較為齊全可完成肺功能測試的大多數(shù)檢驗項目。技術指標：（1） 熱線式流量計：同2200 型（2） 快速反應多種氣體分析儀，同2200 型（3） 壓力傳感器，可進行容量/流量定標（3L 定標筒）箱體/經(jīng)口壓及氣體成分定標。技術標準見表1。表1量程精度分辨率箱壓±

16、5 cmH2O± 1%全量程3.8 10 5cmH2O口壓± 120cmH2O± 1%全量程0.007 cmH2O室壓500 800mmHg± 2mmHg1mmHg溫度10 45 c± 0.1± 0.14.3 FUDAC50 型肺功能儀（日本FUKUDA SANGY 公司）：由干式滾桶肺量計。熱導He 分析儀。紅外CO 分析儀及氮分析儀等組成。可作時間肺量圖、流速容量環(huán)、靜態(tài)肺活量、最大自主通氣量、氮沖洗功能殘氣量、一口氣法彌散力、氧耗量、基礎代謝率測定等，尚可附加閉合氣量，N2 沖洗氣體分布等測定。技術標準見表2表2 量程 精度 重

17、復性 反應時間干式滾桶肺量計容量0 101± 3%讀數(shù)或50ml± 2%全量程氣體0 ±141/s± 5%讀數(shù)或 0.21/s± 2%全量程分析儀He 0 10.0% ± 2%全量程15sCO 0 0.3% ± 1%全量程10sN2 0 80% ± 2%全量程 50s4.4 Chestac-25 型 （日本 Chest 公司）：由干式滾桶肺量計、紅外線CO 控制器、熱導He 檢測器及負壓flow-discharge N2 檢測器組成，可作肺活量、時間肺活量、流速/容量環(huán)、最大自主通氣、N2 沖洗法功能殘氣量、一口氣

18、彌散力、基礎代謝率及等容積流速曲線測定，閉合氣量，N2 沖洗肺內(nèi)氣體分布等。亦可附加測定。技術指標：容量量程：。101流速量程：0± 20l/s系統(tǒng)阻力：0.2cmH2O/l/s,精度：v 2%全量程CO分析器：量程 00.30%,精度：v 龍全量程；反應時間 30sHe分析器：量程 010%,精度：v i2%全量程；反應時間 10sN2分析器：量程 0100%,精度：v i2%全量程；反應時間 150ms4.5 SP-3600 型肺功能儀（美國Respironic 偉康公司）：該系統(tǒng)采用壓差式傳感器測定呼吸流量，符合ATS、 ECCS 等肺功能儀標準，可作肺通氣功能及支氣管舒張實驗

19、、支氣管激發(fā)試驗等，并有趨勢圖及PD20 計算。傳感器前帶細菌過濾片避免病人的交叉感染，病人資料經(jīng)電腦儲存易干查詢及調(diào)用，該系統(tǒng)采用3L 定標器定標。4.6 . 便攜式肺功能儀：4.6.1 Minato AS-300,-500,-600,-Pal 等型肺功能儀（日本Minato 公司）：流量傳感器為熱線式，雙相測定。傳感器設有過濾室，便于清潔消毒?？勺鲿r間肺量圖、流速容量曲線，靜息通氣功能（TV 、 IRV、 EV 等 ）檢測。500、 600、 Pal 型可作呼/吸雙相流速容量測定，可通過液晶熒屏實時顯示最大自主通氣、吸呼雙相的流速及容積。程序設計采用人機對話方式，菜單顯示，操作簡便，600

20、 及 Pal 型有輔助診斷星型圖可作支氣管擴張劑吸入或激發(fā)t驗前后（可儲存8次結果）比較，并顯示趨勢圖，自動計算 PD20;可儲存3個測 定者所測之數(shù)據(jù)。選配13L定標筒定標，以確保數(shù)據(jù)之精確。技術指標：符合ATS等標準。容量精度v 冷或受0ml;流速精度v 土 3%（最大15l/s）; 量程0.0110l,流速顯示0.0112l/s；打?。?5mm色帶打印（300、500型）或114mm彩色 墨水打?。?00型）；顯示：大液晶屏幕顯示 2.5” X 2128X256線。重量4Kg。4.6.2 . Vitalograph Compact 11 型 （英國 Vitalograph 廠 ）：流量傳感器器為Fleish 壓差式，可作時間肺活量、流速容量環(huán)檢測。測定時通過液晶熒屏實時最大自主通氣、吸呼雙相的流速及容積，可作支氣管擴張劑吸入或激發(fā)試驗前