基于感興趣區(qū)的呼吸機潮氣量準確性評價方法研究

卜祥磊，黃二亮，謝鵬程，葉 華，全貞裕，謝衛(wèi)華

（廣州市婦女兒童醫(yī)療中心設(shè)備部，廣州 510623）

0 引言

呼吸機是一種部分或完全代替患者自主呼吸的機械通氣裝置，在臨床上多用于救治呼吸功能不全或呼吸衰竭的患者，其將醫(yī)用空氣和氧氣混合，并將混合后的氣體按一定的通氣模式和呼吸氣道力學(xué)參數(shù)輸送給患者，用以輔助或強制患者呼吸，從而維持患者的呼吸功能，達到相應(yīng)的臨床目的。機械通氣作為重要的生命支持手段之一，在救治患者的同時，也會帶來一些并發(fā)癥，如呼吸機相關(guān)肺損傷（ventilatorinduced lung injury，VILI）等[1-2]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，采用低潮氣量（5～8 mL/kg）或限制平臺壓（不超過30～35 cm）的通氣策略可顯著降低急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）患者病死率，避免肺泡的過度擴張、反復(fù)萎陷和復(fù)張，減少甚至避免并發(fā)癥的發(fā)生[3-4]。

潮氣量是指患者單次吸入或呼出氣體的體積，對呼吸機而言，指機器每次向患者輸送的混合氣體體積。潮氣量為呼吸機的重要參數(shù)之一，其準確性與患者的生命安全密切相關(guān)。在操作者所選潮氣量適當(dāng)?shù)那疤嵯?，呼吸機將該潮氣量準確地輸送給患者具有重要的臨床意義。筆者對過去3 a 我院ICU 患者的體質(zhì)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)95%的患者體質(zhì)量低于25 kg，依據(jù)5～8 mL/kg 的低潮氣量原則，其對應(yīng)的潮氣量范圍小于200 mL。依據(jù)國家質(zhì)檢總局發(fā)布的JJF 1234—2018《呼吸機校準規(guī)范》，校準嬰幼兒型呼吸機潮氣量時，共選取50、100、150、200、300 mL 5個校準點，這種校準點選取方式顯然不符合我院的實際情況。為此，筆者提出一種基于感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的呼吸機潮氣量準確性評價方法，依照患者體質(zhì)量分布選取潮氣量校準點，縮小采樣范圍，增加采樣密度，有針對性地對我院呼吸機的潮氣量參數(shù)進行質(zhì)控[5]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取我院ICU 2017—2019 年收治的3 964 名患者為研究對象，獲取其體質(zhì)量數(shù)據(jù)，所選患者體質(zhì)量最小為1.02 kg、最大為89.8 kg，年齡最小為1 d、最大為14 歲。選取10 臺我院ICU 在用的德爾格Evita 4 型呼吸機，其潮氣量精度（兒童范圍）為設(shè)定值的±10%或±10 mL，取較大值。所選的質(zhì)控設(shè)備為福祿克公司的VT Plus HF 氣流分析儀，該設(shè)備低流速端口的測量精度為設(shè)備讀數(shù)的±3%或±5 mL，取較大值。

1.2 方法

1.2.1 校準點的選擇

利用統(tǒng)計軟件SPSS 22.0 對我院2017—2019 年ICU 收治的3 964 名患者的體質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分析，獲得其頻率分布直方圖，如圖1 所示。圖中數(shù)據(jù)顯示，患者體質(zhì)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正偏態(tài)分布。同理，對2017—2019年各年度患者體質(zhì)量數(shù)據(jù)分別進行統(tǒng)計，其結(jié)果同樣呈正偏態(tài)分布。鑒于JJF 1234—2018 校準方法中選取的200、300 mL 潮氣量校準點在我院ICU 實際工作中較少用到，本研究按照科室收治患者即潛在上機患者的體質(zhì)量數(shù)據(jù)頻率分布及低潮氣量原則，將體質(zhì)量數(shù)據(jù)累積百分比10%及90%處體質(zhì)量對應(yīng)的潮氣量間的區(qū)域定義為感興趣區(qū)，將數(shù)據(jù)累積百分比10%、30%、50%、70%、90%處體質(zhì)量對應(yīng)的潮氣量選定為潮氣量校準點對呼吸機進行檢測。依照SPSS 22.0 的統(tǒng)計，2017—2019 年收治患者的體質(zhì)量數(shù)據(jù)累積百分比10%、30%、50%、70%、90%處所對應(yīng)體質(zhì)量分別為2.5、3.9、6.0、10.1、19.0 kg，按8 mL/kg 的標準，其對應(yīng)的潮氣量分別為20、31、48、81、152 mL，但由于Evita 4 型呼吸機在兒童模式下其潮氣量輸出的下限為20 mL，所以需對校準點進行修正，即舍去體質(zhì)量小于2.5 kg 的數(shù)據(jù)，修正后的患者數(shù)量為3 598 名，其體質(zhì)量數(shù)據(jù)頻率分布直方圖如圖2 所示。按上文所述方法選取校準點，各校準點對應(yīng)體質(zhì)量分別為3.0、4.3、6.5、11.0、20.0 kg，對應(yīng)潮氣量分別為24、34、52、88、160 mL。另外按照呼吸機和氣流分析儀的精度，在呼吸機潮氣量的設(shè)定值小于100 mL時，氣流分析儀的測量值與呼吸機設(shè)定值之間的最大誤差為15 mL，故而2 個相鄰校準點之間的最小間距應(yīng)為30 mL，為此對計算出的間距小于30 mL 的潮氣量進行修正，修正后的潮氣量校準點為24、54、84、114、160 mL。

圖1 2017—2019 年患者體質(zhì)量數(shù)據(jù)頻率分布直方圖（n=3 964）

圖2 修正后的2017—2019 年患者體質(zhì)量數(shù)據(jù)頻率分布直方圖（n=3 598）

1.2.2 校準流程

按圖3 所示連接被校準呼吸機、氣流分析儀和模擬肺，其中呼吸機所用管路為嬰幼兒專用呼吸管路[6]。接通設(shè)備電源，按照說明書要求對相關(guān)設(shè)備進行開機預(yù)熱。測量前對呼吸機參數(shù)進行如下設(shè)置：通氣模式選定為間歇正壓通氣（intermittent positive pressure ventilation，IPPV），設(shè)定通氣頻率（f）為30 次/min，吸呼比（I∶E）為1∶1.5，呼氣末正壓（positive end-expiratory pressure，PEEP）為0.2 kPa，吸入氣中的氧氣體積分數(shù)FiO2為40%。根據(jù)用戶手冊對氣流分析儀進行設(shè)置：在“氣體設(shè)置”模塊中選擇氣體類型為“N2bal O2”，被測氣體溫度、相對濕度及測量環(huán)境溫度按實際情況進行設(shè)置；在“校正模式”模塊中選擇“BTPS”模式，完成該模塊的設(shè)置。設(shè)定完畢后，分別對24、54、84、114、160 mL 等潮氣量校準點及JJF 1234—2018中選取的50、100、150、200、300 mL 等潮氣量校準點進行測量，記錄呼吸機潮氣量監(jiān)測值和氣流分析儀潮氣量測量值。

圖3 呼吸機與質(zhì)控設(shè)備連接示意圖

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)JJF 1234—2018，每個校準點需分別記錄3次呼吸機潮氣量監(jiān)測值和氣流分析儀潮氣量測量值，并求出這3 次監(jiān)測值（測量值）的算術(shù)平均值，以此來計算潮氣量相對示值誤差。潮氣量相對示值誤差計算公式如下：

式中，δ 為被校準呼吸機潮氣量相對示值誤差；Vˉo為被校準呼吸機潮氣量3 次監(jiān)測值的算術(shù)平均值；Vˉm為氣流分析儀潮氣量3 次測量值的算術(shù)平均值。

對于輸送潮氣量≤100 mL 或者分鐘通氣量≤3 L/min 的呼吸機，當(dāng)其潮氣量誤差允許范圍按設(shè)備使用說明書要求以具體體積數(shù)值計算時，其潮氣量輸出誤差的計算公式為

式中，δ'為呼吸機潮氣量的輸出誤差。

2 結(jié)果

依據(jù)JJF 1234—2018 對呼吸機潮氣量的校準要求，對于輸送潮氣量>100 mL 或者分鐘通氣量>3 L/min的呼吸機，相對示值誤差不超過±15%；對于輸送潮氣量≤100 mL 或者分鐘通氣量≤3 L/min 的呼吸機，其誤差允許范圍應(yīng)滿足設(shè)備使用說明書要求。由JJF 1234—2018 及Evita 4 型呼吸機使用說明書技術(shù)參數(shù)可知，在Evita 4 型呼吸機輸送潮氣量≤100 mL或者分鐘通氣量≤3 L/min 時，其輸出誤差應(yīng)不超過±10 mL。

本文校準方法檢測結(jié)果顯示，所檢呼吸機在輸送潮氣量>100 mL 時，相對示值誤差的最大值為-5.2%；在輸送潮氣量≤100 mL 時，其輸出誤差最大值為-2.9 mL。JJF 1234—2018 校準方法檢測結(jié)果顯示，所檢呼吸機在輸送潮氣量>100 mL 時，相對示值誤差的最大值為-4.7%；在輸送潮氣量≤100 mL時，其輸出誤差最大值為4.6 mL。2 種檢測方法檢出的呼吸機潮氣量的誤差范圍均符合國家計量標準檢測規(guī)范的要求，檢測結(jié)果一致，且潮氣量設(shè)定值接近的校準點，其潮氣量輸出誤差或相對示值誤差也較為接近。所檢呼吸機的潮氣量測量數(shù)據(jù)見表1。從表1 中可以看出，本文校準方法在ROI 內(nèi)覆蓋更多采樣點，可獲得更多ROI 內(nèi)呼吸機潮氣量的精度信息。檢測中4 號機以24 mL 潮氣量進行通氣時，其潮氣量測量值大于監(jiān)測值，且潮氣量輸出誤差明顯大于同等通氣參數(shù)下的其他各設(shè)備，另外在該潮氣量校準點下氧電池測得的混合氣體氧氣體積分數(shù)遠高于氧氣體積分數(shù)設(shè)定值及其他潮氣量校準點下的氧電池測量值，且氧電池測量值隨呼吸機潮氣量設(shè)定值的增大而逐漸減小至氧氣體積分數(shù)設(shè)定值，這說明該設(shè)備空氧混合閥中的氧閥存在細微漏氣問題，而這一問題JJF 1234—2018 校準方法未能檢出。所檢6 號呼吸機于2008 年投入使用，2 種方法的檢測結(jié)果顯示，該設(shè)備的潮氣量輸出誤差或相對示值誤差相比總體檢測結(jié)果而言較大，懷疑是設(shè)備老化、空氧混合閥的流量控制功能變差導(dǎo)致。

表1 所選呼吸機潮氣量檢測結(jié)果

3 討論

在機械通氣過程中，以適當(dāng)?shù)某睔饬肯蚧颊吖庖饬x重大。相關(guān)研究表明，在患兒ARDS 的治療中，采用低潮氣量機械通氣的治療效果理想，可有效改善患兒的血氣等臨床指標，降低患兒的病死率[7]。在設(shè)定值合適的前提下，將設(shè)定的潮氣量無偏移地輸送給患者同樣重要，實際工作中定時對呼吸機輸出參數(shù)進行質(zhì)控校準，可減少參數(shù)漂移，提高呼吸機運行的可靠性，確?；颊咴\治安全[8-9]。本研究根據(jù)所在醫(yī)院的患者特點，探索性地將質(zhì)控校準時潮氣量的采樣范圍進行壓縮，縮短采樣步長，以此來增加有效區(qū)域即ROI 的采樣點數(shù)，便于清晰了解ROI 呼吸機潮氣量的準確性情況。從校準結(jié)果看，所檢呼吸機的潮氣量誤差均在國家計量標準規(guī)定的范圍內(nèi)，與根據(jù)JJF 1234—2018 所選校準點進行校準的結(jié)果一致，但根據(jù)本文校準方法更易檢出空氧混合閥是否存在漏氣隱患。假設(shè)校準時設(shè)定的吸氣流量為6 L/min、潮氣量為24 mL，其他通氣參數(shù)與校準流程部分所設(shè)一致，則理想狀態(tài)下的吸氣相空氧混合閥閥門打開時間為0.24 s、閥門關(guān)閉時間為0.56 s，以潮氣量最大允許誤差10 mL 計算，空氧混合閥在閉合狀態(tài)下允許的最大漏氣量為1 L/min，而潮氣量設(shè)定為50 mL 時，空氧混合閥1 L/min 漏氣量獲得的潮氣量誤差為5.4 mL，所以應(yīng)用本文校準方法更易檢出空氧混合閥的工作狀態(tài)，可彌補JJF 1234—2018 校準方法的不足。

本研究所用氣流分析儀可測量壓力、氣體流量和氧氣體積分數(shù)等基本參數(shù)，并由這些基本參數(shù)計算出其他參數(shù)。氣流分析儀通過測量跨越阻力篩網(wǎng)的壓差進行流量測量，測得的壓差與氣體體積流量近似呈線性關(guān)系。在應(yīng)用氣流分析儀進行測量時，需設(shè)置好氣體的類別、溫度和濕度，因為這些參數(shù)會影響被測氣體的黏度，從而影響氣流分析儀流量傳感器的測量精度。氣流分析儀可根據(jù)用戶設(shè)置的氣體參數(shù)對所測氣體流量值進行補償，并最終根據(jù)呼吸機類型將流量計算結(jié)果修正到對應(yīng)標準狀態(tài)下。根據(jù)氣流分析儀的應(yīng)用指南，測量Evita 4 型呼吸機時，所選的校準模式為“BTPS”，即將所測氣體流量最終修正至37 ℃體溫、1 標準大氣壓、100%氣體相對濕度的狀態(tài)下的流量[10]。

本研究用來計算潮氣量的體質(zhì)量為實際體質(zhì)量，而非理想體質(zhì)量，這種方式計算出的潮氣量與患者的肺容量不匹配。在實際工作中，建議采用適當(dāng)方法對患兒體質(zhì)量數(shù)據(jù)進行修正，從而獲取理想的潮氣量校準點，確保更科學(xué)地對呼吸機進行評價[11-12]。另外，本研究設(shè)置呼吸機通氣參數(shù)時，所選流速為固定流速，而Evita 4 型呼吸機的流速與設(shè)備中空氧混合閥內(nèi)推桿的位移密切相關(guān)，但它們之間并非線性相關(guān)，此次研究未能對不同流速下的潮氣量準確性進行評價[13]，建議后續(xù)增加該方面的測試，以完善研究過程，提高研究的嚴謹性。

4 結(jié)語

呼吸機作為臨床使用的高風(fēng)險設(shè)備，其輸出參數(shù)是否準確直接影響患者的生命安全。機械通氣過程中，若呼吸機輸送的潮氣量不準確，會導(dǎo)致患者通氣過度或通氣不足，給患者的治療帶來不利影響，因此依據(jù)相關(guān)標準規(guī)范做好呼吸機的質(zhì)量控制，確保在用呼吸機各項參數(shù)安全有效意義重大[14-15]。本文通過對我院ICU 潛在上機患者體質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，按潛在上機患者的體質(zhì)量數(shù)據(jù)頻率分布設(shè)定潮氣量ROI，縮小ROI 內(nèi)潮氣量采樣范圍，增加該區(qū)域的采樣密度。本研究有針對性地提出了潮氣量的測試思路和方法，雖然所選樣本量較少，需擴大校準設(shè)備數(shù)量來提高結(jié)論的可靠性和科學(xué)性，但研究中所提出的分析方法仍具指導(dǎo)意義，將有助于實現(xiàn)呼吸機潮氣量的差異化檢測。