麻醉機工作原理及麻醉氣體濃度輸出檢測方法探討

張曼華 高樹森 張秋實 黃呈鳳 張慶勇

麻醉呼吸機(簡稱麻醉機)是臨床麻醉的重要設(shè)備，用于實施全身麻醉、供氧及進行輔助或控制呼吸。現(xiàn)代的麻醉機實際上是麻醉工作站的一部分[1]。麻醉工作站一般包括麻醉機、蒸發(fā)器、監(jiān)護裝置和報警裝置。麻醉機是整個工作站的核心部分，是產(chǎn)生麻醉氣體載體的源頭。目前的麻醉機要求能準(zhǔn)確釋放所需濃度的麻醉蒸汽，同時要保證供氧充足，排出二氧化碳完全，呼吸阻力低，無效腔量小。由于麻醉機在臨床上應(yīng)用風(fēng)險較高，在手術(shù)過程中監(jiān)測患者的麻醉深度至關(guān)重要，可減少患者的痛苦[2]；同時，麻醉機的質(zhì)量控制尚屬臨床醫(yī)生和醫(yī)學(xué)工程師關(guān)注和研究的課題[3-6]。

目前，麻醉機全面而成熟的質(zhì)量控制在我國尚無開展，相應(yīng)的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)尚無建立[7]。近年來，軍隊一直致力于建立較為完善的質(zhì)量控制體系，但麻醉機的質(zhì)量控制目前只局限于設(shè)備呼吸參數(shù)的檢測，而且呼吸參數(shù)的檢測僅局限于常規(guī)的機械通氣模式。麻醉機的核心—蒸發(fā)器的質(zhì)量控制即麻醉氣體濃度輸出的檢測方法尚處于空白。本研究探討未來麻醉氣體濃度輸出的檢測方法、相關(guān)檢測設(shè)備和檢測標(biāo)準(zhǔn)。

1 麻醉機工作原理

麻醉機的主要結(jié)構(gòu)包括：呼吸器、二氧化碳吸收裝置、快速供氧裝置和麻醉氣體供給裝置。高壓氧氣、笑氣經(jīng)氣瓶或高壓輸氣管進入麻醉機，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)(減壓閥)，氣體壓力穩(wěn)定在0.35～0.5 MPa之間并進入流量計；氧氣壓力需滿足一定的閾值時笑氣截斷閥方能打開，使笑氣進入笑氣流量計。流量計上的流量控制閥用來調(diào)節(jié)氧氣、笑氣流量(氧笑聯(lián)動裝置，確保輸出氧濃度＞25%)，使氣體在流量計內(nèi)混合后進入麻醉藥液蒸發(fā)器，帶走部分麻藥蒸氣，達到共同氣體出口并輸出給患者呼吸回路?？焖俟┭跬份敵龅难鯕饪芍苯虞斔偷焦餐瑲怏w出口，實現(xiàn)麻醉患者的快速復(fù)蘇。共同氣體出口的混合氣通過機控(由呼吸機控制)或手動有規(guī)律地按所設(shè)定通氣量及呼吸方式輸送給患者，控制患者呼吸(如圖1所示)。

風(fēng)箱是驅(qū)動氣體進入患者回路的裝置。風(fēng)箱內(nèi)部有兩股氣體，分別是共同氣體出口流出的麻醉新鮮氣體和驅(qū)動氣體；兩股氣體相互隔離，驅(qū)動氣在風(fēng)箱外，而進入患者回路的新鮮氣體在風(fēng)箱內(nèi)。吸氣相驅(qū)動氣進入風(fēng)箱盒，盒內(nèi)壓力隨之升高，擠壓氣囊使麻醉氣體進入患者呼吸道；呼氣相驅(qū)動氣泄出風(fēng)箱盒，風(fēng)箱盒內(nèi)壓力降至大氣壓，患者呼出氣先充盈風(fēng)箱，然后部分泄入廢氣處理系統(tǒng)?；颊呋芈烦休d著麻醉氣體的輸送，回路中包含呼氣回路和吸氣回路，兩個回路內(nèi)都有各自的單向閥，控制氣體流動的方向。吸收器用來吸收呼出氣體的二氧化碳(如圖2所示)。

圖2 患者回路示意圖

2 蒸發(fā)器的原理及使用

蒸發(fā)器按照蒸發(fā)流量的調(diào)節(jié)方式可分為旁路可變型和實測流量型。旁路可變型蒸發(fā)器在蒸發(fā)開關(guān)打開時，流入蒸發(fā)器的氣體分為兩路，一路流入蒸發(fā)室?guī)ё呗樽硭幷魵?，另一路通過旁路，然后兩股氣流在下游匯合。在開關(guān)關(guān)閉時旁路機構(gòu)將蒸發(fā)室的氣體入口和出口關(guān)閉，氣流全部通過旁路流出。正路和旁路均有調(diào)節(jié)閥，可控制分流比。典型的旁路可變型蒸發(fā)器包括有datex-0hmeda的Tec4、Tec5、Tec7以及Drager Vapor19.1和2000蒸發(fā)器。旁路可變型蒸發(fā)器也被稱為容積百分比型、控制轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)型和Tee型蒸發(fā)器。通過手動轉(zhuǎn)動濃度控制轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)輸出濃度，其輸出濃度由分流比確定，并用容積百分比表示。溫度補償裝置自動改變分流比，以補償溫度的波動。對多數(shù)旁路可變型蒸發(fā)器而言，由于蒸發(fā)室內(nèi)氣體不完全混合，輸出濃度隨新鮮氣流量增加而略微下降(如圖3所示)。

圖3 旁路可變型蒸發(fā)器實物及原理圖

蒸發(fā)器的蒸發(fā)方式影響著麻醉氣體輸出的準(zhǔn)確度。常見的蒸發(fā)方式有3種：拂過型、注射型及氣泡型。載氣流經(jīng)過蒸發(fā)室時攜走的麻醉藥蒸汽量取決于麻醉藥的蒸發(fā)效率和飽和蒸汽壓。通常蒸發(fā)效率越高，蒸發(fā)室內(nèi)飽和蒸汽壓越高，則氣相的麻醉藥分子就越多，載氣中含有的麻醉藥濃度水平則越穩(wěn)定。

3 影響蒸發(fā)器濃度輸出的因素

影響蒸發(fā)器濃度輸出的因素主要有環(huán)境大氣壓、載氣成分、載氣流量、載氣/稀釋氣體分流比、溫度以及麻醉藥量。明確了上述影響因素有助于蒸發(fā)器質(zhì)量控制方法的確定(見表1)。

關(guān)于各種因素對蒸發(fā)器輸出的影響，學(xué)者通過實驗進行定量的研究。Ambrisko和Klide等[9-10]利用氧氣作為載氣，定量評價了異氟醚和七氟醚蒸發(fā)器在不同載氣流量下(0.02～10 L/min)的輸出精度，實驗證明，異氟醚蒸發(fā)器的輸出值普遍偏高；七氟醚在0.02 L/min的載氣流量下以及高載氣流量和高濃度設(shè)定值的條件下輸出精度降低，且不易受藥物填充量的影響。戴捷等[11]利用三維模擬和數(shù)值計算方法，得到了稀釋氣體與麻醉藥物混合過程中的濃度場變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提高稀釋氣體溫度對有助于藥物的蒸發(fā)以及與稀釋氣體的混合。Sezdi等[12]則研究了不同載氣流量下，環(huán)境溫濕度對蒸發(fā)器濃度輸出的影響。定量的研究對麻醉機蒸發(fā)器的質(zhì)量控制方法的建立起著重要的作用。

4 麻醉氣體濃度輸出的檢測方法

4.1 檢測儀器

對麻醉機的呼吸參數(shù)的檢測，可采用與呼吸機相同的檢測設(shè)備，檢測儀的動態(tài)流量范圍應(yīng)滿足(0.5～180) L/min，允差±3%以內(nèi)，動態(tài)壓力范圍為-2～20 kPa，允差±0.1 kPa。目前，軍隊采用美國FLUKE公司的VT-PLUS型氣流分析儀。此外，PF300型氣流分析儀和ASL5000型主動模擬肺均可用于呼吸機、麻醉機的呼吸參數(shù)的檢測。

目前，常用的麻醉氣體濃度檢測設(shè)備型號包括Andros的Model 4800麻醉氣體分析儀和PF300(附帶氣體濃度分析模塊)氣體分析儀(如圖4所示)。

表1 麻醉氣體濃度輸出的影響因素

圖4 4800和PF300麻醉氣體濃度分析儀

4800 氣體分析儀可檢測的氣體包括CO2、N2O、三氟溴氯乙烷、異氟烷、安氟醚、七氟醚、地氟醚、氧氣和乙醇氣體。除CO2、N2O、O2和乙醇氣體外，其他氣體的濃度顯示分辨率可達0.01%，三氟溴氯乙烷、異氟烷、安氟醚的最大檢測濃度水平可達8%，地氟醚的最大檢測濃度水平為23%。PF300的氣體濃度檢測傳感器可以檢測CO2、N2O、三氟溴氯乙烷、異氟烷、安氟醚、七氟醚、地氟醚氣體，三氟溴氯乙烷、異氟烷、安氟醚的最大檢測濃度水平為5%，準(zhǔn)確度為讀數(shù)的±8%或±0.15%(兩者取最大值)，地氟醚的最大檢測濃度為18%。目前，國內(nèi)的工程技術(shù)人員應(yīng)用PF300搭建麻醉氣體蒸發(fā)器的測試工裝，并探索其相應(yīng)的檢測方法[13]。

4.2 檢測標(biāo)準(zhǔn)

麻醉氣體輸出濃度的性能指標(biāo)，在國家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YY0320-2000麻醉機”中對蒸發(fā)器的輸出氣體濃度要求有所闡述；“ISO/DIS 8835-4吸入麻醉系統(tǒng)第四部分麻醉劑蒸汽傳輸裝置”標(biāo)準(zhǔn)中附加條款51.101和51.102對麻醉氣體輸出濃度闡述了具體要求。

4.3 檢測方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“YY0320-2000麻醉機”和國際標(biāo)準(zhǔn)“ISO/DIS 8835-4吸入麻醉系統(tǒng)第四部分麻醉劑蒸汽傳輸裝置”結(jié)合日常檢測的實踐經(jīng)驗，提出下述檢測方法。

(1)檢測環(huán)境。溫度：(20±3) ℃；大氣壓：(101±1)kPa；溫度應(yīng)盡量保持恒定，無明顯的氣流擾動。大氣壓的值對蒸發(fā)罐的輸出氣體濃度有一定的影響，國家標(biāo)準(zhǔn)中對大氣壓的要求為101.3 kPa，實際檢測尤其是外場檢測很難保證精確達到某一大氣壓值；國際標(biāo)準(zhǔn)中對大氣壓沒有做明確說明；兩個標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境濕度均無具體要求[14-15]。

(2)將蒸發(fā)器和蒸發(fā)劑置于測試室中≥3 h。蒸發(fā)器可裝在麻醉機上測試也可單獨測試。

(3)將麻醉藥注入蒸發(fā)器至最低刻度線，再多注10 ml，過45 min后測試。如果有的蒸發(fā)器需要供電預(yù)熱，則要按照設(shè)備廠家的要求通電預(yù)熱。不同的蒸發(fā)器裝載不同的麻醉藥液，常用數(shù)種麻醉藥液及其顏色標(biāo)記見表2。

表2 麻醉藥液全稱及其顏色標(biāo)記

(4)檢測儀與被測設(shè)備的連接。氣體分析儀應(yīng)在麻醉機的共同氣體出口或蒸發(fā)器的出口測試或采樣。連接圖如圖5所示。

圖5 麻醉濃度檢測連接示意圖

4.4 檢測項目

(1)零位檢測。將通過蒸發(fā)器的流量設(shè)置為(1±0.1)L/min，通氣1 min后測定輸出氣體濃度。其輸出濃度應(yīng)≤0.1%。

(2)零位以上的濃度值檢測。將蒸發(fā)器設(shè)定為零位以上的最小濃度值，測試其輸出的濃度值；在最小濃度值和最大濃度值之間選取數(shù)個濃度點進行檢測，濃度誤差應(yīng)≤±20%或最大刻度的±5%(兩者取最大值)。

(3)最大濃度值檢測。將蒸發(fā)器設(shè)定為最大濃度量程值，測試其輸出的濃度值，濃度誤差應(yīng)≤±20%或最大刻度的±5%(兩者取最大值)。

(4)5 L/min流量下的濃度檢測。將通過蒸發(fā)器的流量設(shè)置為(5±0.5) L/min，通氣1 min后按照上述方法分別對數(shù)個濃度點進行測定。

5 結(jié)語

麻醉呼吸機作為醫(yī)院重要的外科手術(shù)設(shè)備使用頻率高，臨床風(fēng)險高。該設(shè)備的使用維護和質(zhì)量控制是臨床護理人員和醫(yī)學(xué)工程人員的重要職責(zé)。本研究還將對麻醉機蒸發(fā)器的質(zhì)量控制方法做進一步的研究和探索，致力于能夠早日制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程，提高醫(yī)院醫(yī)療質(zhì)量，降低醫(yī)療風(fēng)險。

[1]Eisenkraft JB.Anesthesia machine basics[C].Seminars in Anesthesia,Perioperative Medicine and Pain,2005,24:138.

[2]Hausman LM,Eisenkraft JB,Rosenblatt MA.The safety and efficacy of regional anesthesia in an office-based setting[J].J Clin Anesth,2008,20(4):271-275.

[3]鄭得寧,孔艷,胡云衢.麻醉機質(zhì)量保證的探討[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(12):140.

[4]黃韜,李向東,崔驪,等.麻醉機質(zhì)量檢測中的事例分析及探討[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010(31):7711-7113.

[5]王忠義,劉學(xué)峰,張同軍,等.麻醉安全問題及對策[J].中國現(xiàn)代醫(yī)生,2011,49(31):121-122.

[6]李冠軍.麻醉呼吸機質(zhì)量檢測后的回顧[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009,30(7):116-117.

[7]鄭得寧,呂文標(biāo),姚巧蓮.麻醉機質(zhì)量控制及影響因素分析[J].質(zhì)控與計量,2011,26(5):85-87.

[8]Gentilini A,Frei CW,Glattfedler AH,et al.Multitasked closed-loop control in anesthesia[J].IEEE Eng Med Biol Mag,2001,20(1):39-53.

[9]Ambrisko TD,Klide AM.Evaluation of isoflurane and sevoflurane vaporizers over a wide range of oxygen flow rates[J].Am J Vet Res,2006,67(6):936-940.

[10]Ambrisko TD,Klide AM.Accuracy of isoflurane,halothane,and sevoflurane vaporizers during high oxygen flow and at maximum vaporizer dial setting[J].Am J Vet Res,2011,72(6):751-756.

[11]戴捷,蘇磊,王博,等.稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器蒸發(fā)效果影響的計算分析[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2011,8(10):5-7.

[12]Sezdi M,Akan A,Tank F.Anesthetic gas concentration changes related to the temperature and humidity in high and low flow anesthesia[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2009,2009:877-880.

[13]齊麗晶,紀(jì)彩彥.麻醉蒸發(fā)器測試裝置介紹[J].中國醫(yī)療器械信息,2012,18(3):40-42.

[14]國家藥品監(jiān)督管理局.中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):YY0320-2000麻醉機[S].國家藥品監(jiān)督管理局,2000-04-24.

[15]英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會.ISO/DIS 8835-4吸入麻醉系統(tǒng)第四部分麻醉劑蒸汽傳輸裝置[S].國際標(biāo)準(zhǔn)組織,2001-09-19.