麻醉设备学（阮肖晖）第三章 呼吸功能监测

1、3/8/2022.1麻醉设备学麻醉设备学温州医学院温州医学院 阮肖晖阮肖晖温州医学院附属第一医院温州医学院附属第一医院 朱伟朱伟. 第三章第三章 呼吸功能监测仪器呼吸功能监测仪器. 第一节第一节 概述概述3/8/2022.4一、流体的连续介质模型： 流体的定义：液体和气体没有固定的形状，在力的作用下，其一部分相对于另一部分容易发生运动，该性质称为流动性。由于这种流动性，把液体和气体合称为流体。 实际流体特点：由大量分子构成；分子做不规则的运动；分子间存在着间隙，分子本身具有体积；运动非常复杂，难以研究。 3/8/2022.5一、流体的连续介质模型： 假想的流体模型流体微元：由足够量的分子组成，

2、连续的充满其所占的空间，彼此无任何间隙，即“连续介质模型”。流体微元的参数，如压强、速度、密度等在大多数情况下看成是连续分布的。 3/8/2022.6二、流体的运动 ：(1) 连续性方程 对于作稳定流动的不可压缩流体来说，在同样的时间内流过两截面的流体体积应该相等（） 。 该表达式称为连续性方程(equation of continuity)。其中S表示与流管垂直截面的面积，V表示横截面上点的流速。1221vSvS=3/8/2022.7二、流体的运动 ：(2) 伯努利方程 前提：理想流体，绝对不可压缩又无粘滞性的流体。 此式称为伯努利方程(Bernoulli equation)即总流机械能守恒

3、方程。其中P表示压力；h表示该断面中心离水平基准面的垂直距离；v表示断面上的平均速度。212Pvgh+= 常量3/8/2022.8丹尼尔丹尼尔伯努利伯努利： (Daniel Bernoulli 17001782)瑞士物理学家、数学家、医学家。1700年2月8日生于荷兰格罗宁根。3/8/2022.9：喷雾器、雾化器3/8/2022.10（3）：流体各部分相互混杂，形成漩涡，流线极不规则。 湍流特点：湍流特点： 层间有物质交换。 有响声。 截面中间流速几乎相同。二、流体的运动 ：3/8/2022.11造成湍流的因素：流体速度v，流体密度，粘滞系数及管径r。：判别流体的流动状态。 过渡流湍流层流15

4、00Re10001500Re1000ReRevr3/8/2022.12n麻醉机、呼吸机中流量通常低于临界流量，气流以层流为主。n气流管路造成湍流的原因：扭曲、内壁粗糙、接头成角、狭窄等。n一般避免湍流的措施：缩短长度、增大内径、内壁光滑、弯度缓和等。湍流对麻醉机设计的影响3/8/2022.13压力指垂直作用在物体表面的力，单位为牛顿(N)。压强指物体单位面积上受到的压力，单位为帕斯卡(Pa)。二者关系为：压强=压力/受力面积，1Pa = 1 N/m2。 三、流体的压强 ：压强分绝对压强和相对压强绝对压强指相对于绝对真空所测得的压强；相对压强指相对于大气压所测得的压强；相对压强=绝对压强-大气压

5、。 压强单位为kPa、mmHg和cmH2O，换算关系为1kPa =7.5 mmHg10.2 cmH2O。 .第二节第二节 通气频率监测通气频率监测 3/8/2022.15测量的方法n临床观察法：一定时间内胸腹起伏，或鼻孔棉花毛摆动 n通过呼吸气的各项参数曲线周期换算 ，n阻抗法：电阻抗容积描记法(electrical impedance plethysmography) 60fT=3/8/2022.16n当导体的容积发生变化时，其体积变化的百分比等于电阻变化的百分比n当激励信号的频率不高时，生物阻抗主要表现为电阻性n通过检测人体阻抗的变化，可间接监测相应的容积变化3/8/2022.17n当人体

6、呼吸时，胸部的起伏造成胸阻的变化n利用心电电极向人体施加100kHz以内的高频信号n胸阻的变化调制高频信号的幅度n通过相同心电电极将调制后的信号检出n该调制信号经电路处理，成为呼吸波信号，计算得到呼吸频率 人体胸廓前置放大光电隔离A/D转换解 调LLRALLRA图-4 呼 吸 检 测 图3放大滤波CPU计算DA/转换显示波形发生器激励脉冲. 第三节第三节 气道压监测气道压监测 3/8/2022.19n气道压定义：是机械通气时，推动一定容量气体进入肺时所产生的压力，反映通气时所遇到的阻力。n气道压监测的意义：了解肺通气、气道和呼吸环路有无异常的最简便方法。 3/8/2022.20一、U形管水柱压

7、力计n一端与气道连通，水柱的高度差即为气道压n准确，但动态特性差 H图 - U形管水柱压力计3 53/8/2022.21二、机械压力表 n压力表金属膜片与气道连接n应变膜片受压形变，产生垂直位移，位移大小与被测气体压力成正比n垂直位移经杠杆系统转变为圆周运动，再经齿轮传动机构放大后n 指针指示压力值 图 -6 膜盒压力表3表针杠杆表芯传感膜盒表盘3/8/2022.22三、压力传感器 传感器定义：指能感受规定的被测量物并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其作用为感受一种量并把它转换成另一种量，这种转换也可以看成是能量的转换，因此也称为换能器。要求：灵敏度高且

8、惯性小优点：能够显示波形、并能计算相关力学参数，实现数字显示。用于动态压强测量的传感器主要方式有应变式、压阻式及电感式。3/8/2022.23（一）应变式压力传感器 n弹性元件在外力作用下产生弹性变形；n使粘贴在它表面的电阻应变片也产生变形，电阻应变片变形后，其阻值将发生变化；n再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号；n测量电信号的变化量。 原理： 应力方向电极基座绝缘膜镀膜电阻图 -7 粘贴式应变片33/8/2022.24（一）应变式压力传感器 n 弹性元件：承受传感器所受的外力，产生弹性形变；n 电阻应变片：传感元件，把测压问题，经过传感器，变为测电阻变化的问题；n 检测电路：把电阻

9、应变片的电阻变化转变为电压输出，惠斯登电桥是应用最广泛的传感信号接收电路。 主要部件及作用： 3/8/2022.25（二）压阻式压力传感器 n在硅膜片做四个相等的电阻，接成惠斯登电桥，与外引线相连；n膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相通，也有做成真空的。n当膜片两边存在压力差而发生形变时，电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，n通过测量其电压大小就反映了膜片所受的压力差值。 原理： 3/8/2022.26（二）压阻式压力传感器 主要部件由外壳、硅膜片和引线组成。优点：灵敏度高，它的应变灵敏系数比金属应变片高50100倍；分辨率高，能测出一二毫米水柱的

10、微压；测量元件有效面积可做得很小，故频率响应高；直接感受被测压力，无机械可动部件，具有无磨擦、无间隙，机械强度高，抗冲击、耐振动等特性。缺点：易受温度影响，需要在电路中进行温度补偿。 3/8/2022.27（三）电感式压力传感器n由线圈、铁芯和膜片三部分组成。n膜片位于中间位置，电桥处于平衡状态。n当膜片偏离中间位置，电桥不平衡。n电桥输出电压的大小与膜片移动的大小成比例，其相位则与膜片移动方向有关。原理： 线圈L1线圈L2感压膜片可动铁芯P1P2传感器外部电路交流信号输出信号L1L2ab图 - 可变磁阻压力传感器3 83/8/2022.28小气道闭合压(P)监测：即呼吸驱动压，其产生不受生理

11、性呼吸动作影响，其数值等于吸气开始时口腔内产生的压力。主要用于预测病人是否能撤离机械通气。内源性呼气末正压(intrinsic positive end expiratory pressure, PEEPi)：由于各种原因引起病人呼气不畅或呼气时间不足，呼气不完全，至呼气末时肺泡内残留气体相对较多，在肺的弹性回缩下肺泡内压高于气道开口处压力，仍有呼气气流，这一压力差即PEEPi 。.第四节第四节 通气量监测通气量监测 3/8/2022.30vAh h图 - 总压探针3 9(一) 总压管用于液体测速的工具202AAppvhgg 2Avg h得到被测点处的液柱高(压强)，就可以计算得到该点处的流速

12、。一、流速测量一、流速测量3/8/2022.31(二)皮托管用于气体测速的工具得到设气体密度为，压力计内液体密度为，两液面的高度差为h。duABh图 - 皮托管3 10212v gh2 g hv.二、流量监测二、流量监测n叶轮的转速与气体叶轮的转速与气体流速成正比流速成正比n叶轮的转动方向与叶轮的转动方向与呼出或吸入相关呼出或吸入相关（一）叶轮式通气量计（一）叶轮式通气量计图 -1 Wright通气量计31风叶.（二）差压式流量计（二）差压式流量计n由节流件和差压传由节流件和差压传感器构成感器构成n节流件增加气流的节流件增加气流的流阻，其两侧产生流阻，其两侧产生静压力差静压力差n差压传感器测得

13、该差压传感器测得该压力差压力差n该压力差与流量有该压力差与流量有固定的数值关系固定的数值关系 压差换能器处理、显示毛细管图呼吸流速描记器3-12 Fleisch.（三）涡街流量计（三）涡街流量计n在流体中放置旋涡发生在流体中放置旋涡发生体，在旋涡发生体的后体，在旋涡发生体的后部会产生一系列有规律部会产生一系列有规律的交替旋涡的交替旋涡n旋涡发生频率与旋涡发旋涡发生频率与旋涡发生体处的平均流速成正生体处的平均流速成正比比n利用超声波探测旋涡产利用超声波探测旋涡产生频率可实现流量测定生频率可实现流量测定 .（四）热式流量计（四）热式流量计n连接于惠斯登电桥中的热丝连接于惠斯登电桥中的热丝插入气流中

14、插入气流中n气流带走热量，热丝因温度气流带走热量，热丝因温度降低而电阻变小，引起电桥降低而电阻变小，引起电桥不平衡，输出电压信号不平衡，输出电压信号n在一定范围内，气体流量、在一定范围内，气体流量、热量变化、电阻值、电压幅热量变化、电阻值、电压幅度之间呈一定函数关系度之间呈一定函数关系n第二热丝、屏蔽的作用第二热丝、屏蔽的作用 图-1 热丝式流量计33电路测量热丝屏蔽第二热丝.第五节第五节 旁路式肺通气监测仪器旁路式肺通气监测仪器 .旁路式肺通气监测仪器旁路式肺通气监测仪器n利用差压式传感器检测呼吸回路的压力利用差压式传感器检测呼吸回路的压力n进而推算出：流速、流量、潮气量进而推算出：流速、流

15、量、潮气量 顺应顺应性等通气指标性等通气指标n适用于气管插管的病人适用于气管插管的病人 .第六节第六节 血氧饱和度检测仪器血氧饱和度检测仪器 .一、血氧饱和度一、血氧饱和度n是血液中氧和血红蛋白和有功能的血红蛋白是血液中氧和血红蛋白和有功能的血红蛋白的比率。反映了血红蛋白和氧的结合程度的比率。反映了血红蛋白和氧的结合程度.血氧饱和度监测血氧饱和度监测n根据氧和血红蛋白根据氧和血红蛋白（HbOHbO2 2）和还原血）和还原血红蛋白（红蛋白（HbHb）对红）对红光（光（660nm660nm）和红）和红外光（外光（940nm940nm）的）的吸收特性，无创、吸收特性，无创、连续监测动脉血氧连续监测动

16、脉血氧和程度的方法和程度的方法 .血氧饱和度监测工作原理血氧饱和度监测工作原理n用分别发用分别发660nm660nm红光和红光和940nm940nm红外光的二组红外光的二组LEDLED交替照射手指或脚趾或耳垂交替照射手指或脚趾或耳垂n在心脏收缩期，用一个光电探测器分别测在心脏收缩期，用一个光电探测器分别测定红光和红外线的透射量定红光和红外线的透射量n根据朗伯根据朗伯- -比尔定律，可确定血红蛋白的比尔定律，可确定血红蛋白的氧和程度氧和程度物理意义物理意义 朗伯朗伯- -比尔定律比尔定律物理意义物理意义:当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,与其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比.二、脉搏容积图二、脉搏容积图n心脏收缩期，手指的血容量最多，对照射光吸收量最心脏收缩期，手指的血容量最多，对照射光吸收量最大，舒张期，手指血量最少，