基于模擬人體肺內(nèi)氣體狀態(tài)的肺功能儀測試系統(tǒng)設(shè)計

顧加雨 張 超 夏 炎

肺功能儀是呼吸系統(tǒng)疾病的診斷設(shè)備，主要由肺量計及氣體分析器等部件組成，可以測出肺活量、最大分鐘通氣量及用力肺活量等的相關(guān)呼吸生理指標(biāo)，對于早期檢查出的肺部及氣道病變，診斷病變部位以及評估疾病的嚴(yán)重程度均具有重要的臨床意義[1-2]。

隨著醫(yī)療衛(wèi)生技術(shù)的發(fā)展，肺功能儀的技術(shù)性能及檢測項目也在不斷提高與增加，肺功能儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生診斷和人體生理科學(xué)研究等領(lǐng)域。計量是科學(xué)診斷的保證，計量為醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制提供量化指標(biāo)。由于肺功能儀的生產(chǎn)廠商眾多，產(chǎn)品之間性能差異較大，導(dǎo)致不同醫(yī)院的肺功能測試結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，直接影響臨床診斷的準(zhǔn)確性，因此，肺功能儀的計量校準(zhǔn)非常重要[3]。為了加速肺功能儀測試的標(biāo)準(zhǔn)化，美國胸科協(xié)會(American Thoracic Society，ATS)和歐洲呼吸學(xué)會(European Respiratory Society，ERS)先后制訂了肺功能儀的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，對其質(zhì)量控制提出了明確要求，促進(jìn)了肺功能儀的臨床應(yīng)用[4]。我國制定的“肺功能儀校準(zhǔn)規(guī)范”(JJF1213-2008)[5]解決了肺功能儀質(zhì)量控制和量值溯源問題。目前，國內(nèi)外使用的肺功能儀定標(biāo)檢測儀器主要有依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范研制的SCD-A型肺功能儀校準(zhǔn)裝置(中國測試技術(shù)研究院)[6-7]和1120型流量容積模擬裝置(美國Hans公司)兩種。然而，現(xiàn)有的肺功能儀測試系統(tǒng)均未進(jìn)行人體肺內(nèi)氣體模擬，未能反映人體內(nèi)部氣體溫度和濕度的修正，故而影響精確測量的準(zhǔn)確度。為此，本研究設(shè)計一種模擬人體肺內(nèi)氣體狀態(tài)、帶有溫度和濕度傳感器的測試系統(tǒng)，可通過加熱、冷卻和加濕裝置進(jìn)行氣筒內(nèi)氣體溫度和濕度控制，進(jìn)而提高測量水平，并使其達(dá)到人體體溫、大氣壓及水蒸氣飽和狀態(tài)(body temperature，pressure，water vapour-saturated，BTPS)[8]。

1 肺功能儀測試系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

人體通過胸腔肋骨間肌肉的擴(kuò)張和收縮來改變胸腔和肺泡的體積，并從外界吸入氣體或向外界環(huán)境呼出氣體，從而完成空氣的交換，最終實現(xiàn)人體呼吸運動，為人體提供所需的氧氣[9-10]。設(shè)計的肺功能儀測試系統(tǒng)是一種模擬人體肺內(nèi)氣體狀態(tài)的肺功能儀測試儀，其中包括腔體、位于腔體內(nèi)的活塞、溫度調(diào)節(jié)裝置、濕度調(diào)節(jié)裝置、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、絲杠機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)和控制器等部件，見圖1。

圖1 肺功能儀測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)性能

肺功能測試系統(tǒng)中的腔體代表人體的器官肺，由伺服電動機(jī)驅(qū)動活塞在腔體內(nèi)來回運動，使其內(nèi)部的空氣與壓強(qiáng)差不斷改變，從而實現(xiàn)空氣的流動和交換。同時通過溫度傳感器、濕度傳感器及壓力傳感器，以檢測腔體內(nèi)的溫、濕度和氣體壓力，并能夠進(jìn)行濕度補(bǔ)償和溫差修復(fù)。該系統(tǒng)能夠更加貼合人體呼吸運行的肺活量的實際測量，使檢測結(jié)果更加可靠。

2 肺功能儀測試系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.1 腔體

腔體為密封腔體，腔體內(nèi)部設(shè)置有可滑動的活塞，絲杠穿過腔體底部與活塞傳動連接，腔體底部安裝有絲杠傳動機(jī)構(gòu)，絲杠傳動機(jī)構(gòu)與驅(qū)動電機(jī)傳動連接，驅(qū)動電機(jī)帶動絲杠傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動進(jìn)而驅(qū)動絲杠和活塞實現(xiàn)軸向往復(fù)運動，腔體遠(yuǎn)離絲杠傳動機(jī)構(gòu)一側(cè)的腔壁上安裝有氣管，氣管與腔體內(nèi)部空間連通，氣管與待測肺功能儀的進(jìn)氣端連接。腔體采用航空鋁材或聚四氟乙烯材料制成，腔體底部固定在安裝架上，安裝架底部設(shè)有滾輪，安裝架采用鏤空結(jié)構(gòu)，在保證實用性和耐用性的基礎(chǔ)上減輕裝置重量。

2.2 溫度和濕度傳感器

腔體內(nèi)設(shè)置有溫度傳感、濕度傳感器以及壓力傳感器，傳感器均設(shè)置在氣管內(nèi)并與其控制器相連接。濕度傳感器控制器通過控制加濕設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)而控制腔體內(nèi)的氣體濕度。溫度傳感器共有兩個，分別設(shè)置在腔體內(nèi)活塞兩側(cè)空間內(nèi)，兩組溫度傳感器能夠精準(zhǔn)測量出腔體內(nèi)的溫度變化，提高準(zhǔn)確度。加濕設(shè)備為濕化器，濕化器的出氣管連接在氣管與腔體的連接處。壓力傳感器與檢測終端信號連接，能夠?qū)崟r檢測腔體內(nèi)的氣壓數(shù)據(jù)并發(fā)送到檢測終端。

2.3 絲桿

絲杠傳動機(jī)構(gòu)中使用定位管，尾部固定在腔體底板的中央位置，定位管的端部向外延伸形成環(huán)形擋板。定位管的端部外套有旋轉(zhuǎn)套筒，旋轉(zhuǎn)套筒與定位管的連接端向內(nèi)延伸形成環(huán)形卡板，環(huán)形擋板阻檔環(huán)形卡板向外滑動，且環(huán)形卡板夾在兩組滾子軸承之間。定位管外側(cè)設(shè)置有限位套筒，限位套筒通過限位螺釘固定在定位管側(cè)壁上。兩組滾子軸承夾在限位套筒的側(cè)壁和環(huán)形擋板之間，旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)壁固定安裝有內(nèi)套筒，內(nèi)套筒的內(nèi)徑與定位管內(nèi)徑相同而且其內(nèi)壁加工有螺紋。絲杠與內(nèi)套筒通過螺紋傳動連接，絲杠依次穿過內(nèi)套筒和定位管與活塞固定連接，內(nèi)套筒和旋轉(zhuǎn)套筒通過定位環(huán)固定連接，定位環(huán)通過螺釘固定安裝在內(nèi)套筒和旋轉(zhuǎn)套筒的端面，旋轉(zhuǎn)套筒外側(cè)面與傳動齒輪嚙合連接，傳動齒輪與電機(jī)輸出軸固定連接，電機(jī)輸出軸與驅(qū)動電機(jī)傳動連接。在傳動齒輪帶動旋轉(zhuǎn)套筒轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)套筒和絲杠發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，由于旋轉(zhuǎn)套筒不能發(fā)生軸向位移，因此會驅(qū)動絲杠在軸向發(fā)生位移，進(jìn)而帶動活塞做往復(fù)運動，見圖2。

圖2 肺功能儀測試系統(tǒng)絲杠傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.4 控溫管路

腔體的外側(cè)面設(shè)置有控溫管路，控溫管路為加熱管和冷卻管并排環(huán)繞形成的螺旋形管路，加熱管和冷卻管均為獨立管路，見圖3。

圖3 肺功能儀測試系統(tǒng)加熱管及冷卻管控制器結(jié)構(gòu)圖

加熱管端口和冷卻管端口均設(shè)置有電磁閥和控制器，冷卻管電磁閥和加熱管電磁閥均與溫度傳感器控制器信號相連接。溫度傳感器控制器控制冷卻管電磁閥和加熱管電磁閥的工作狀態(tài)，加熱管及冷卻管控制器連接有冷液源以及熱液源，加熱管及冷卻管控制器內(nèi)設(shè)置有兩組水泵，分別將冷液源的冷夜泵入冷卻管內(nèi)，將熱液源的熱液泵入加熱管內(nèi)。加熱管及冷卻管控制器內(nèi)設(shè)置有熱源水泵和冷源水泵，熱源水泵的進(jìn)水端與熱液源連接，熱源水泵的出水端與溢流閥連接。第一溢流閥設(shè)置在加熱管回路內(nèi)，通過第一溢流閥溢流的熱液通過加熱管流入熱液源，第一溢流閥的溢流管與加熱管的連通處設(shè)置在熱液源與加熱管電磁閥之間。冷源水泵的進(jìn)水端與冷液源連接，冷源水泵的出水端與第二溢流閥連接，第二溢流閥設(shè)置在冷卻管回路內(nèi)。通過第一溢流閥溢流的熱液通過冷卻管流入冷液源，第二溢流閥的溢流管與冷卻管的連通處設(shè)置在冷液源與冷卻管電磁閥之間。當(dāng)?shù)谝灰缌鏖y或第二溢流閥打開后，在冷源水泵或熱源水泵的驅(qū)動下，實現(xiàn)冷液或熱液的循環(huán)流動；當(dāng)?shù)谝灰缌鏖y或第二溢流閥關(guān)閉后，溢流閥開啟，將冷液或熱液流回冷液源或熱液源內(nèi)。

控溫管路由兩條相互平行的螺旋管路組成，兩條相互平行的螺旋管路分別為加熱管和冷卻管，相鄰螺旋管路之間設(shè)置有散熱筋，相鄰的散熱筋形成螺旋形凹槽，加熱管和冷卻管固定安裝在螺旋形凹槽內(nèi)。散熱筋可增大腔體外部與冷卻管、加熱管之間的接觸面積，以提高加熱效率，同時保證溫度調(diào)節(jié)的均勻性，可避冷卻管與加熱管相互接觸。

2.5 驅(qū)動電機(jī)

驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，與編碼器信號連接，編碼器能夠控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動頻率、轉(zhuǎn)動距離以及轉(zhuǎn)動方向。在軟件中輸入控制參數(shù)，由控制軟件驅(qū)動控制器并向編碼器發(fā)送驅(qū)動信號，使步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動齒輪傳動，使腔體內(nèi)的活塞運動，最終吸入或排出空氣；同時，編碼器向驅(qū)動器返回電動機(jī)的運動參數(shù)及運動狀態(tài)。

3 結(jié)論

肺功能儀是檢測患者肺功能的主要手段，其性能的優(yōu)劣會直接影響患者的診斷結(jié)果，故肺功能儀的質(zhì)量控制非常重要。本研究設(shè)計的一種模擬人體肺內(nèi)氣體狀態(tài)的肺功能儀測試系統(tǒng)通過加熱和加濕等控制裝置來調(diào)節(jié)氣體溫度和濕度，不僅能夠完成肺功能儀參數(shù)的校準(zhǔn)，還可以模擬人體肺內(nèi)BTPS的氣體狀態(tài)，同時輕便便攜，易于現(xiàn)場進(jìn)行肺功能儀的校準(zhǔn)。