醫(yī)用便攜式一氧化氮（NO）發(fā)生機(jī)的設(shè)計與性能研究

林濤 劉寒春

摘要：一氧化氮（NO）吸入療法在臨床中用于治療新生兒肺動脈高壓，并被拓展應(yīng)用到其他多個臨床適應(yīng)證治療。為解決現(xiàn)有一氧化氮發(fā)生機(jī)存在的易產(chǎn)生有毒氣體NO2及需笨重的高壓鋼瓶作為氣源等問題，設(shè)計了一款新型的便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)，詳細(xì)介紹了該裝置的原理、組成結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)及電磁兼容性。該裝置靈巧、便攜，同時利用室內(nèi)空氣遞送NO，實現(xiàn)了氣體發(fā)生、流量控制和輸氣的一體化，對于非使用有創(chuàng)呼吸的重癥患者可以實現(xiàn)床旁交互使用。

關(guān)鍵詞：一氧化氮發(fā)生機(jī);便攜式醫(yī)療器械;電化學(xué)傳感器;氣體吸入療法;電磁兼容測試

0 引言

一氧化氮（NO）是一種人體內(nèi)存在的內(nèi)源性氣體分子，不僅具有控制血壓和防止血栓形成的作用，還是人體免疫系統(tǒng)的重要組成部分。自1998年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎被授予關(guān)于一氧化氮可以控制血壓和血管張力的發(fā)現(xiàn)后，更是引發(fā)了研究者們對一氧化氮相關(guān)研究的關(guān)注，這些研究證實了一氧化氮具有防止血小板凝結(jié)，促進(jìn)傷口愈合、血管生成及抑制微生物（包括細(xì)菌、真菌和病毒）的功效。

一氧化氮吸入（Inhaled NO，INO）療法是20世界90年代呼吸醫(yī)學(xué)技術(shù)理論的重要突破，該療法是由美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的，作為原發(fā)性和繼發(fā)性肺動脈高壓的治療手段，INO療法能夠改善機(jī)體氧合能力，對重度的甚至發(fā)展到呼吸窘迫綜合征（ARDS）的患者，可以通過合用呼吸機(jī)起到擴(kuò)張肺部血管、降低肺血管阻力，進(jìn)而增加氧合、改善肺通氣-灌流比例，從而有效地緩解肺水腫和肺損傷。

同時，INO療法對新生兒重癥原發(fā)和繼發(fā)的肺動脈高壓也具有非常明顯的治療效果，常被作為各種國內(nèi)外權(quán)威指南推薦使用。在歐美國家，INO療法是新生兒重癥的常用必備治療方式。近些年，國內(nèi)外已經(jīng)開始一氧化氮單獨吸入或局部性治療的新型適應(yīng)證研究，包括慢性阻塞性肺疾?。–OPD）、肺纖維化、囊腫性纖維化、缺氧性肺炎以及糖尿病足等，部分研究已經(jīng)進(jìn)入二、三期的臨床研究階段。在成人重癥方面，也有探索一氧化氮吸入同體外循環(huán)（ECC）和體外膜氧化（ECMO）的合用技術(shù)，從而減少ECC和ECMO治療過程中存在的炎癥反應(yīng)和并發(fā)癥。

目前用于INO治療的產(chǎn)品是傳統(tǒng)的一氧化氮鋼瓶作為氣源，鋼瓶中含有NO和氮氣（N2）的混合物，NO濃度一般為10-4或8×10-4。高濃度NO會和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成對人體有危害的NO2（安全濃度為5×10-6以內(nèi)），即使在N2保護(hù)條件下，長時間保存高濃度的NO也會逐步積累有害的NO2，在純度和安全性方面有較大風(fēng)險。同時，氣體鋼瓶的使用需要配置多重減壓閥才能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制，操作者需經(jīng)過專門培訓(xùn)才能正確安全使用鋼瓶。此外，氣體鋼瓶在運輸和成本上均有特殊和較高的要求。這些因素限制了NO的進(jìn)一步臨床應(yīng)用和治療適應(yīng)證的擴(kuò)展應(yīng)用。

1 便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)

本文研發(fā)的便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)主要由一氧化氮生發(fā)系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)、氣體混合裝置、氣體監(jiān)控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、電源適配器、呼吸口鼻罩、管路和軟件等部分組成。NO發(fā)生機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理：通過電解電流模塊控制一定大小的電流，電解特定的化合物溶液產(chǎn)生高純度NO氣體，經(jīng)氣液分離器析出后，再由氣體流量控制模塊控制與新鮮空氣的混合配比，最后經(jīng)氣體監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)流量與濃度可控的、持續(xù)穩(wěn)定輸出的NO混合治療氣體，供病人吸入治療使用。

（1）一氧化氮生發(fā)系統(tǒng)：主要利用電極電解特定的化合物溶液產(chǎn)生的高純度一氧化氮氣體，通過液體循環(huán)泵流經(jīng)氣液分離器后析出，同時氣液分離器連續(xù)通過一定流量的空氣后，產(chǎn)生連續(xù)的一定濃度的一氧化氮和空氣混合氣體。

（2）氣體輸送系統(tǒng)：分為兩部分，一部分主要通過氣泵輸送潔凈的空氣給一氧化氮生發(fā)系統(tǒng)以及供病人呼吸吸入，輸送的空氣流量可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié);另一部分主要用于抽取混合后的定量混合氣體，輸入氣體濃度傳感器。

（3）氣體混合裝置：氣體混合裝置與一氧化氮生發(fā)系統(tǒng)和氣體輸送系統(tǒng)連接，均勻混合輸入的空氣和一氧化氮氣體。

（4）氣體監(jiān)控系統(tǒng)：由氣體濃度傳感器、氣體流量控制模塊、電極電解電流控制模塊組成，主要檢測并控制系統(tǒng)輸送的一氧化氮和空氣混合氣體的流量以及混合氣體中一氧化氮的濃度，并實現(xiàn)報警功能。氣體濃度傳感器由一氧化氮和二氧化氮濃度傳感器組成，精準(zhǔn)測量氣體濃度并顯示到顯示屏。氣體流量控制模塊主要控制輸入空氣的流量，電極電解電流模塊主要調(diào)節(jié)電解電流的大小，兩個模塊配合共同實現(xiàn)一氧化氮混合氣體的一定濃度輸出。

（5）顯示系統(tǒng)：顯示一氧化氮濃度、二氧化氮氣體濃度、氣體流量、治療時間、電解池計時、報警提示等。

（6）電源適配器：為整機(jī)提供電源。

（7）呼吸口鼻罩：供病人吸入治療氣體使用，帶有漏氣孔。

（8）管路：用于輸送一氧化氮和空氣氣體。

（9）軟件：實現(xiàn)產(chǎn)品功能狀態(tài)的設(shè)定、控制、顯示、監(jiān)控和（或）指示。

2 便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)性能指標(biāo)

2.1? ? 生成NO氣體純度分析

本文研發(fā)的便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)采用高效催化劑在常溫常壓下將水溶液中的一氧化氮供體還原成氣態(tài)NO，通過空氣或氮氣為載氣，將NO從氣液分離器中萃取，含有不同NO濃度的空氣可以用于NO吸入治療。為了證實該方法所制備NO氣體中不含N2O和NO2等有害氮氧化物，對生成氣體進(jìn)行了成分分析。

NO的濃度通過基于金標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)發(fā)光法的Thermo Fisher一氧化氮檢測儀進(jìn)行測定，該檢測儀除可以精準(zhǔn)檢測NO以外，還可以將其他氮氧化物都轉(zhuǎn)化為NO，得到總氮氧化物的濃度，從差值可以計算出除NO以外的其他氮氧化物濃度。使用化學(xué)發(fā)光一氧化氮分析儀測定不同電流條件下生成的氣體濃度如表1所示，從表1數(shù)據(jù)可以看出，該一氧化氮發(fā)生機(jī)可以產(chǎn)生高純度的NO氣體，其他形式的氮氧化物濃度，如NO2等數(shù)值在儀器的檢測誤差范圍內(nèi)（±10-6），遠(yuǎn)低于NO2 5×10-6的安全濃度。

NO2可以通過NO和O2反應(yīng)得到，是NO臨床使用中最容易產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物，因此本文專門針對NO2進(jìn)行了研究。NO2在紫外光（<400 nm）照射下轉(zhuǎn)變?yōu)镹O，然后通過一氧化氮分析儀對NO進(jìn)行監(jiān)測。圖2所示為通過NO2轉(zhuǎn)化為NO監(jiān)測NO2濃度，首先驗證了紫外照射轉(zhuǎn)化二氧化氮的過程，圖中紅色數(shù)據(jù)點為NO2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，黑色數(shù)據(jù)點是紫外轉(zhuǎn)化后測得的NO濃度。從圖2可以看出，轉(zhuǎn)化后的NO濃度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系（R2=0.987），并能夠準(zhǔn)確反映NO2的濃度變化。該方法能夠準(zhǔn)確、靈敏地檢測NO2的含量。

在此基礎(chǔ)上，本文在對一氧化氮發(fā)生器生成的NO濃度進(jìn)行持續(xù)檢測的過程中，加上UV光照，觀察NO濃度的變化，如圖3所示。從圖3可以看出，在固定電流大小和吹掃流速的條件下，UV光照對NO濃度沒有影響，增大電流可以使NO濃度迅速增高，待濃度穩(wěn)定后，再次使用UV光照，NO濃度也沒有發(fā)生變化，說明不同條件下產(chǎn)生的不同濃度的NO氣體中均不含有NO2。

2.2? ? 生成NO氣體濃度的精準(zhǔn)調(diào)控

精準(zhǔn)控制是檢驗儀器性能的一個重要指標(biāo)。當(dāng)載氣流速固定時，通過調(diào)節(jié)電流大小或電壓大小可實現(xiàn)對生成NO濃度的調(diào)節(jié)。本文研究了電流控制和電壓控制兩種模式的優(yōu)缺點?？刂齐妷耗Ｊ胶涂刂齐娏髂Ｊ綄O濃度進(jìn)行調(diào)控如圖4所示，在使用氮氣為載氣的條件下，將氣體流速固定在200 mL/min，改變控制電位可以對NO濃度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，改變電流同樣可以靈敏地改變NO濃度。

比較上述兩種調(diào)控模式，控制電流模式更具優(yōu)越性，由于仿生催化反應(yīng)的速率和電流成正比，控制電流對NO產(chǎn)生的調(diào)控更直接，同時，如圖5所示，控制電流模式中，溫度對NO產(chǎn)生的影響較小。改變溫度對恒電流模式下產(chǎn)生NO的影響較小，藍(lán)色為電流曲線（控制在0.5 mA，隨后變化至0.8 mA），黑色為在恒流下對應(yīng)的電壓值，紅色為NO濃度。在溫度從25～37 ℃時，電壓值發(fā)生較大變化，但NO濃度基本保持不變。

基于上述研究，筆者采用恒流模式用于后續(xù)研究。載氣流速（0.25 L/min）固定，NO濃度隨著電流變化情況如圖6所示。在空氣流速為0.25 L/min，混合氣流速為8.4 L/min時，在100～400 mA內(nèi)調(diào)節(jié)電流大小，可實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定、臺階式上升的NO氣體生成。同時可以看出，在升至某一電流時，NO的濃度可快速達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，說明儀器具有較強(qiáng)的NO生成速率控制精準(zhǔn)性。

基于圖6數(shù)據(jù)，筆者首先對相關(guān)電流強(qiáng)度下生成的NO濃度進(jìn)行平均，再與電流強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)，得到電流強(qiáng)度與生成NO濃度的線性關(guān)系，如圖7所示，可以看出，隨著電流強(qiáng)度的增加，NO生成濃度也持續(xù)線性增加，R2=0.993 6，進(jìn)一步說明了本文設(shè)計的便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)可以實現(xiàn)NO氣體的持續(xù)穩(wěn)定生成控制。

2.3? ? 輸出NO氣體濃度的精準(zhǔn)調(diào)控

在實際臨床治療中，需要把生成高濃度的NO氣體與新鮮空氣混合稀釋，再控制輸出。為了驗證最終輸出氣體的濃度及流量可控，在固定工作電流為220 mA的條件下，通過增加一道空氣氣流和NO進(jìn)行混合，得到不同NO濃度的氣體。通過調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器和混合氣流速，實現(xiàn)對NO濃度的快速調(diào)控（3 min內(nèi)）如圖8所示，便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)在0～160×10-6和流量3～7 L/min內(nèi)可實現(xiàn)對NO濃度的快速調(diào)控。

2.4? ? 輸出NO氣體的穩(wěn)定性測試

在固定工作電流200 mA、載氣流速1 L/min、混合氣總量5 L/min的條件下，使用化學(xué)發(fā)光NO檢測儀持續(xù)監(jiān)控NO濃度，NO輸出長期穩(wěn)定性如圖9所示，在恒定電流和流速的條件下，一氧化氮發(fā)生機(jī)能夠穩(wěn)定輸出一氧化氮8 h以上，變化大小不超過±2×10-6，說明儀器輸出的NO氣體濃度具有較好的穩(wěn)定性。

2.5? ? 電解池重復(fù)性測試

在工作電流恒定200 mA、載氣流速1 L/min和混合氣總流量5 L/min條件下，同一批次生產(chǎn)的電解池產(chǎn)生NO的濃度大小和趨勢均保持一致，如圖10所示，同一批次生產(chǎn)的電解池提供的NO濃度變化范圍在10-6以內(nèi)。

2.6? ? NO傳感器檢測性能測試

基于臭氧和NO反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光信號的NO檢測儀是NO測試的標(biāo)準(zhǔn)方法，但其體積大、需要真空室和臭氧發(fā)生器，無法和便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)進(jìn)行整合。為此，研究了基于電化學(xué)檢測原理的傳感器用于NO的快速實時監(jiān)測。電化學(xué)NO傳感器采用Pt鍍層的高分子材料薄膜，膜的一面接觸內(nèi)控溶液，NO氣體從傳感膜的另一表面通過，NO在Pt膜表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生可檢測的電流信號。一氧化氮分析儀（NOA）和電化學(xué)傳感器對不同NO的響應(yīng)曲線如圖11所示，電化學(xué)傳感器對NO濃度的響應(yīng)性能和一氧化氮檢測儀（NOA）相同。

兩種檢測方式的相關(guān)性達(dá)到R2=0.995，如圖12所示，這些結(jié)果證明使用小巧的電化學(xué)NO傳感器可以替代傳統(tǒng)的大型一氧化氮分析儀。

3 電磁兼容性測試

3.1? ? 電磁騷擾測試

作為有源醫(yī)療器械，一氧化氮發(fā)生裝置按照國家醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例的要求，根據(jù)《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1～2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗》（YY 0505—2012）進(jìn)行了全項目檢測，主要從電磁騷擾（EMI）和電磁抗擾（EMS）兩方面全面評價其電磁兼容合規(guī)性。傳導(dǎo)發(fā)射（CE）項目主要評價便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)工作時產(chǎn)生的低頻電磁波（150 kHz～30 MHz）沿著供電線路對外輻射的能力，傳導(dǎo)發(fā)射測試環(huán)境和測試結(jié)果如圖13所示，左圖為測試現(xiàn)場布置，右圖為實測結(jié)果，其中紅線代表1組A類設(shè)備傳導(dǎo)發(fā)射噪聲準(zhǔn)峰值限值;粉線代表平均值限值;藍(lán)線、綠線分別代表實測準(zhǔn)峰值和平均值，可以看出實測值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于限值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，通過測試。

輻射發(fā)射（RE）項目主要評價便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)工作時產(chǎn)生的高頻電磁波（30 MHz～1 GHz）直接對外輻射的能力，輻射發(fā)射測試環(huán)境和結(jié)果如圖14所示，左圖是實測現(xiàn)場布置，右圖為測試結(jié)果，其中紅線表示1組A類設(shè)備輻射發(fā)射噪聲準(zhǔn)峰值限值，藍(lán)線表示實測值，同樣實測值低于限值，通過測試。

3.2? ? 電磁抗擾測試

電磁抗擾方面主要包括靜電放電（ESD）、輻射抗擾（RS）、傳導(dǎo)抗擾（CS）、電快速瞬變脈沖群（EFT）、浪涌（Surge）、電壓暫降和中斷、工頻磁場測試項目。通過這些測試項目，分別模擬出雷擊/靜電現(xiàn)象、大功率負(fù)載啟動、電網(wǎng)電壓突降或中斷、周邊強(qiáng)輻射和磁場等干擾狀態(tài)下一氧化氮發(fā)生機(jī)的工作能力，便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)電磁抗擾測試環(huán)境和結(jié)果如圖15所示?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，在各種干擾狀態(tài)下，便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)均能滿足其基本性能要求。

4 結(jié)語

本文介紹了國內(nèi)首個便攜式一氧化氮發(fā)生機(jī)的設(shè)計原理、組織結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)及電磁兼容性測試。該設(shè)備使用仿生催化電解產(chǎn)生高純度、無雜質(zhì)的醫(yī)用一氧化氮氣體，裝置配有氣體傳感器和流量控制器，智能精密地輸送NO，即時產(chǎn)生按需的NO氣體，使用NO固態(tài)電化學(xué)傳感器（0～250×10-6）和NO2固態(tài)電化學(xué)傳感器（0～5×10-6）作為監(jiān)控裝置，保證NO2濃度低于30×10-6。該裝置小巧、便攜，同時利用室內(nèi)空氣遞送NO，不需笨重的高壓鋼瓶作為氣源。和傳統(tǒng)使用氣體鋼瓶的NO吸入裝置比較，該裝置實現(xiàn)了氣體發(fā)生、流量控制和輸氣系統(tǒng)的一體化，是新型的NO發(fā)生一體機(jī)，有望適應(yīng)更多的臨床應(yīng)用場景和臨床適應(yīng)證，對于非使用有創(chuàng)呼吸的重癥患者也可以實現(xiàn)床旁交互使用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] WANG T，KEBIR D E，BLAISE G.Inhaled nitric oxide in 2003：A review of its mechanisms of action [J].Canadian Journal of Anaesthesia，2003，50（8）：839-846.

[2] XU W M，LIU L Z.Nitric Oxide：from a mysterious labile factor to the molecule of the Nobel Prize Recent progress in nitric oxide research [J].Cell Research，1998，8（4）：251-258.

[3] SORELLE R.Nobel Prize Awarded to Scientists for Nitric Oxide Discoveries [J].Circulation，1998，98（22）：2365-2366.

[4] MIRANDA M M，PANIS C，CATANEO A H D，et al.Nitric oxide and brazilian propolis combined accelerates tissue repair by modulating cell migration，cytokine production and collagen deposition in experimental leishmaniasis[J].PLoS ONE，2015，14（10）：e0125101.

[5] LUO J D，CHEN A F.Nitric oxide：a newly discovered function on wound healing [J].Acta Pharma-cologica Sinica，2005，26（3）：259-264.

[6] COLEMAN J W.Nitric oxide in immunity and inflammation[J].International Immunopharma-cology，2001，1（8）：1397-

1406.

[7] CHOUDHARI S K，MINAL CHAUDHARY.Nitric oxide and cancer：a review [J].World Journal of Surgical Oncology，2013，11（1）：118.

[8] SCHAIRER D O，CHOUAKE J S，NOSANCHUK J D，et al.The potential of nitric oxide releasing therapies as antimicrobial agents [J].Virulence，2012，3（3）：271-279.

[9] ANN D G M，F(xiàn)ANG F C.NO Inhibitions：Antimicrobial Properties of Nitric Oxide [J].Clinical Infectious Diseases 1995;21（S2）：162-165.

[10] SAURA M，ZARAGOZA CMCMILLAN A，QUICK R A，et al.An antiviral mechanism of nitric oxide：inhibition of a viral protease [J].Immunity，1999，10（1）：21-28.

[11] ABMAN S H.Inhaled Nitric Oxide for the treatment of Pulmonary Arterial Hypertension [J].Handbook of Experimental Pharmacology，2013，218（218）：257-276.

[12] AFSHARI A，BROK J，ANN MERETE，et al.Inhaled nitric oxide for acute respiratory distress syndrome （ARDS） and acute lung injury in children and adults [J]. Cochrane Database of Systematic Reviews，2010，7（7）：2787.

[13] CHEN L N，LIU P，GAO H，et al.Inhalation of Nitric Oxide in the Treatment of Severe Acute Respiratory Syndrome：A Rescue Trial in Beijing[J].Clinical Infectious Diseases，2004，39（10）：1531-1535.

[14] KINSELLA J P，ABMAN S H.Inhaled Nitric Oxide in the Premature Newborn [J].Journal of Pediatrics，2007，151（1）：10-15.

[15] KINSELLA J P.Inhaled nitric oxide in the term newborn [J].Early Human Development，2008，84，709-716.

[16] CATHIE K，HOWLIN R，CARROLL M，et al.G385 RATNO-Reducing Antibiotic Tolerance using Nitric Oxide in Cystic Fibrosis：report of a proof of concept clinical trial[J].Archives of Disease in Childhood，2014，99：159.

[17] SILVA S Y，RUEDA L C，GUSTAVO A MARQUEZ，et al.Double blind，randomized，placebo controlled clinical trial for the treatment of diabetic foot ulcers，using a nitric oxide releasing patch：PATHON[J].Trials，2007，8（1）：26.

[18] JAMES C，MILLAR J，HORTON S，et al.Nitric oxide Admini-

stration during paediatric cardiopulmonarybypass：a randomised controlled trial[J].IntensiveCare Medicine，2016，42（11）：1744-1752.

[19] CHILETTI R，Horton S，Bednarz A，et al.Safety of nitric oxide added to the ECMO circuit：a pilot study in children [J].Perfusion，2017，33（1）：74-76.

[20] MILLER C，MILLER M，MCMULLIN B，et al.A phase I clinical study of inhaled nitric oxide in healthy adults[J].Journal of Cystic Fibrosis，2012（11）：324-331.

[21] BENTUR L，GUR M，ASHKENAZI M，et al.Pilot study to test inhaled nitric oxide in cystic fibrosis patients with refractory Mycobacterium abscessus lung infection[J].Journal of Cystic Fibrosis，2020，19（2）：225-231.

[22] TSUKAHARA H，ISHIDA T，TODOROKI Y，et al.Gas-phase Disproportionation of Nitric Oxide at Elevated Pressures[J].Free Radical Research，2003，37（2）：71-177.

[23] 醫(yī)用電氣設(shè)備 第1～2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗：YY 0505—2012[S].

[24] 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）射頻設(shè)備 騷擾特性 限值和測量方法：GB 4824—2013[S].