肺功能儀校準(zhǔn)中的體積修正

/ 廣東省計量科學(xué)研究院

0 引言

肺功能儀用來檢測人體肺部吸入、呼出氣體的容量和速率，對呼吸系統(tǒng)疾病的診斷起到非常重要的作用，廣泛應(yīng)用于臨床診斷和生理學(xué)研究等領(lǐng)域[1]。計量技術(shù)機(jī)構(gòu)目前采用JJF 1213-2008《肺功能儀》國家計量校準(zhǔn)規(guī)范[2]對肺功能儀進(jìn)行計量校準(zhǔn)，采用的計量標(biāo)準(zhǔn)器為中國測試技術(shù)研究院研制的呼吸模擬裝置。呼吸模擬裝置采用了呼吸的基本原理，用氣筒代表肺，裝置驅(qū)動活塞在氣筒內(nèi)運(yùn)動實現(xiàn)空氣的流動。校準(zhǔn)過程中，通過軟件來控制活塞運(yùn)動距離和速率，實現(xiàn)精確控制肺的模擬過程，向肺功能儀提供可控的標(biāo)準(zhǔn)氣源。

1 體積修正

呼吸模擬裝置中的體積修正是將室溫條件下測量的氣體體積轉(zhuǎn)換到人體體溫、大氣壓、水蒸氣飽和狀態(tài)的肺內(nèi)環(huán)境下的氣體體積。室溫條件簡寫 為 ATP（ambient temperature pressure）， 人 體 體溫、大氣壓、水蒸氣飽和狀態(tài)簡寫為BTPS（body temperature，pressure，water vapor saturated）。BTPS條件下呼出氣體是飽和氣體，溫度接近體溫，跟室溫比溫差大，氣體修正的變化大。采用以下公式[3]進(jìn)行體積修正：

根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體的狀態(tài)方程：

式（1）可變?yōu)?/p>

式中：k— 修正因子；

VBTPS、Tbody、pH2O（Tbody，hbody）、hbody— 分別是BTPS環(huán)境下氣體體積、絕對溫度、飽和水蒸氣的氣壓、空氣相對濕度；

VATP、Tamb、pH2O（Tamb，hamb）、hamb— 分別是ATP環(huán)境條件下的氣體體積、絕對溫度、飽和水蒸氣的氣壓、空氣相對濕度

相對濕度的定義為

pV、pS分別表示相同溫度條件下實際水蒸氣的氣壓和實際飽和水蒸氣的氣壓。而pS=fpSV，f為濕空氣的增漲系數(shù)，pSV為飽和水蒸氣的氣壓，各自的計算公式[4]為

式中：α= 1.000 62；

β= 3.14×10-8Pa-1；

γ= 5.6×10-7℃-2；

t— 攝氏溫度；

p— 大氣壓

式中：A= 1.281 18×10-5K-2；

B= -1.950 99×10-2K-1；

C= 34.049 26；

D= -6.353 63×103K；

T— 絕對溫度

將式（5）和式（6）代入式（3）中可得到：

式中：t和T分別 — ATP條件下的攝氏溫度和絕對溫度；

通過以上公式就可以對氣體體積進(jìn)行修正，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 影響因素分析

根據(jù)式（7）的分析，BTPS體積修正跟溫度和氣壓有直接關(guān)系，為了簡單明了地分析溫度和氣壓對體積修正的影響，首先考慮在一定大氣壓條件下環(huán)境溫度對體積修正的影響。假定大氣壓為101.3 kPa，BTPS條件下溫度為37 ℃，根據(jù)式（7）的計算，得到如圖1中的數(shù)據(jù)。

圖1 修正因子隨環(huán)境溫度變化曲線圖

從圖1可以看出，在一定大氣壓條件下，修正因子與環(huán)境溫度近似成線性關(guān)系，修正因子與環(huán)境溫度正相關(guān)。

其次，考慮在一定的環(huán)境溫度下，大氣壓變化時修正因子的變化情況，假定環(huán)境溫度為25 ℃，BTPS條件下溫度為37 ℃，根據(jù)式（7）的計算，得到如圖2中的數(shù)據(jù)。

圖2 修正因子隨大氣壓變化曲線圖

從圖2可以看出，修正因子隨氣壓升高線性增加。考慮到在同一地理位置的大氣壓在一年四季中的變化比較小，拿廣州地區(qū)來看，廣州地區(qū)一年中大氣壓的變化范圍為（99.6 ～ 102.0）×103Pa，根據(jù)式（7）可以算出，修正因子的變化范圍為1.05 ～ 1.08，變化幅度為±1.5%；而廣州地區(qū)一年中溫度變化幅度可達(dá)到5 ～ 37 ℃，修正因子的變化范圍為1.02 ～1.20。又考慮到校準(zhǔn)肺功能儀時必須滿足校準(zhǔn)規(guī)范中的溫度要求：17 ～ 40 ℃，修正因子的變化范圍為0.97 ～ 1.11，變化幅度高達(dá)±7%，而校準(zhǔn)規(guī)范中對肺功能儀容量測量的允許誤差為±3%，已遠(yuǎn)超可接受的范圍，因此在校準(zhǔn)肺功能儀時一定要對溫度進(jìn)行修正。

3 結(jié)語

本文分析了校準(zhǔn)肺功能儀時的體積修正模型，根據(jù)體積修正模型重點(diǎn)討論了溫度和大氣壓對測量結(jié)果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度對測量結(jié)果影響顯著，因此在校準(zhǔn)肺功能儀前一定要對環(huán)境溫度進(jìn)行修正。

[1]鄭勁平.肺功能儀檢測原理與常用儀器[J].中國醫(yī)療器械雜志，1999，23（5）：284-288.

[2]JJF 1213-2008.肺功能儀計量校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2008.

[3]張從華，龔嵐，宿紅，等.精確控制的模擬肺裝置用于肺功能測量校準(zhǔn)的實驗研究[J].四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2008，40（5）：185-189.

[4]陳寬基，倪偉清，等.計量測試技術(shù)手冊[M].北京：中國計量出版社，1997（6）：404-411.