1、肺功能儀檢測(cè)原理與常用儀器1 肺功能試驗(yàn)的臨床意義肺功能檢查是臨床上胸肺疾病及呼吸生理的重要檢查內(nèi)容。對(duì)于早期檢出肺、氣道病變，鑒別呼吸困難的原因，診斷病變部位，評(píng)估疾病的病情嚴(yán)重度及其預(yù)后，評(píng)定藥物或其它治療方法療效，評(píng)估肺功能對(duì)手術(shù)的耐受力或勞動(dòng)強(qiáng)度耐受力及對(duì)危重病人的監(jiān)護(hù)等，肺功能檢查均是必不可少的。其結(jié)果判斷參考同種人群肺功能正常值。肺功能檢查通常包括通氣功能、換氣功能、呼吸調(diào)節(jié)功能及肺循環(huán)功能。檢查項(xiàng)目繁多、臨床上最為常用的是通氣功能檢查，它可對(duì)大多數(shù)胸肺疾病作出診斷；其它檢查如彌散功能測(cè)定、閉合氣量測(cè)定、氣道阻力測(cè)定、膈肌功能測(cè)定、運(yùn)動(dòng)心肺功能試驗(yàn)、氣道反應(yīng)性測(cè)定等，可對(duì)通氣功能檢

2、查作不同程度的補(bǔ)充。此外，血?dú)夥治鲆嗍欠喂δ軝z查的一部分。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及臨床對(duì)肺功能評(píng)估認(rèn)識(shí)的不斷深入，肺功能檢測(cè)已成為臨床肺部疾病三大診斷之一(另二者為病因診斷和病理診斷)。2 肺功能儀的組成部分肺功能的試驗(yàn)儀器主要由肺量計(jì)、氣體分析儀及壓力計(jì)組成，通過(guò)它們的組合，可測(cè)出肺功能的大多數(shù)指標(biāo)，如肺容量、通氣、彌散、呼吸肌肉力量、氧耗量、二氧化碳產(chǎn)生量等，其中肺量計(jì)在肺功能檢測(cè)中最為常用。2.1 肺量計(jì)：肺量計(jì)是指用于測(cè)定肺容量的容量或流量計(jì)的儀器。按物理學(xué)定律，設(shè)某一瞬間的體積流量為Q，一定時(shí)間t內(nèi)流過(guò)的流體的體積為V，則V=Qdt或Q=dV/dt；而體積流量是流體流速(V)與流經(jīng)

3、截面積(A)體的流速及吸/呼氣體時(shí)間可求出吸/呼氣容量；反之亦然。2.1.1 容量測(cè)定型肺量計(jì)容量測(cè)定型肺量計(jì)先測(cè)定流體的體積，而后得出流量。2.1.1.1 水封式肺量計(jì)(water-sealed spirometer)：這種肺量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確，但測(cè)量指標(biāo)較少，不易于自動(dòng)轉(zhuǎn)換為流速參數(shù)，其容量所測(cè)為室溫容量(ATPS狀態(tài))，應(yīng)將其矯正為體溫容積(BTPS狀態(tài))。目前已較少使用，僅在一些基層醫(yī)院或生理實(shí)驗(yàn)室中尚有使用，如Collins肺量計(jì)。其構(gòu)造如圖1，鈉石灰是CO2吸收劑，鼓風(fēng)機(jī)用于減少機(jī)器的阻力，容量的變化記錄于記紋鼓，這種設(shè)備的死腔量較大，一般為6L8L。 由水將浮筒內(nèi)外分隔，帶有

4、單向閥的管道與盛有CO2吸收劑的容器相連，浮筒內(nèi)與病者以密封閉回路方式相連。浮筒經(jīng)一滑輪懸拉，連至另一端與記錄筆相連，記錄筆可將浮筒位置的改變記錄于記紋鼓上。當(dāng)病人從浮筒中吸氣或呼氣時(shí)記錄筆垂直上下移動(dòng)，移動(dòng)的幅度取決于吸/呼氣的容量大小。記紋鼓與一電機(jī)相連，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)記紋鼓轉(zhuǎn)動(dòng)的速度恒定，并可選擇不同速度，由描記筆水平記錄。此為描記圖的時(shí)間軸，而描記筆的垂直運(yùn)動(dòng)為插記圖的容量軸，測(cè)試中描記出時(shí)間容量曲線，從中可求出多個(gè)容量及流速參數(shù)。2.1.1.2 干式滾桶式肺量計(jì)(dry-rolling seal spirometer)：見圖2。病人呼出的氣體使活塞移動(dòng)，活塞由滾桶隔樣的密封器與圓桶密封。

5、電壓計(jì)檢測(cè)活塞的移動(dòng)，活塞移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)可反映移動(dòng)量的大小，間接反映呼吸氣體容量?；钊娉］^大，以減少活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械阻力。Gould 9000，F(xiàn)UDAC 50，ERS-1000,Ohio 800系列等肺量計(jì)屬此類型。使用此類型肺功能儀時(shí)，病人呼吸為密封式，易發(fā)生交叉感染。 2.1.2. 流速測(cè)定型肺量計(jì)流速式流量計(jì)則先測(cè)出流經(jīng)截面積一定的管路的流體速度，然后求出流量，也稱為間接測(cè)量式流量計(jì)。2.1.2.1 壓差式流量計(jì)(pressure differential flowmeter)：利用在一定形狀的流通管道中氣流的壓力降落與流速的依從關(guān)系測(cè)定流量。壓差式傳感器包括兩部分：流量傳感器

6、：實(shí)現(xiàn)氣體流速與壓差的一次變換，根據(jù)流經(jīng)該變換器的氣流速度大小不同，變換器兩端敏感出相應(yīng)的壓力差，即壓差信號(hào)。壓差傳感器：將與流量成一定比例關(guān)系的壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的電信號(hào)，經(jīng)處理后以數(shù)字或曲線圖形顯示。Fleish pneumotachograph是較為常用的壓差式流量計(jì)(圖3)。此流量計(jì)的流速傳感器上有一篩狀隔網(wǎng)，氣流通過(guò)該網(wǎng)時(shí)受網(wǎng)的阻力而流速下降，結(jié)果使網(wǎng)眼的另一端的壓力輕微下降。網(wǎng)眼兩端形成壓降差。壓差傳感器可據(jù)此壓差感應(yīng)，產(chǎn)生電信號(hào)。流速越快，壓降越大，則產(chǎn)生壓差電信號(hào)越強(qiáng)。氣流應(yīng)盡可能是層流，錐形體的保護(hù)網(wǎng)及毛細(xì)網(wǎng)可提供此種氣流方式，流量計(jì)上的加熱器可加溫毛細(xì)網(wǎng)，避免呼出的飽和水蒸

7、汽在篩狀隔網(wǎng)上冷凝沉積，阻塞網(wǎng)眼。該隔網(wǎng)清潔消毒較為困難，另外在高流量測(cè)定時(shí)誤差偏大。 Fleish pneumotachograph可用于測(cè)量氣體流速，容量及呼吸頻率，與其它分析儀結(jié)合可作諸如殘氣量、氣體分布等測(cè)定。Grould 2800,Sensormedics 6200，Medgraphs FUKUDA ST-350，ST-90 Multispiro-SX系列，Vitalograph等肺功能儀屬此類壓差流量計(jì)。2.1.2.2 熱敏式流量計(jì)(thermal flowmeter)：此計(jì)依據(jù)熱量傳導(dǎo)與氣體流量相關(guān)的原理設(shè)計(jì)(圖4)。核心部分為溫度依賴性電阻元件，熱線(hot wire)或熱珠(

8、thermistor bead)接通電源時(shí)該元件加溫，當(dāng)氣流通過(guò)熱敏件時(shí)可使其溫度下降，并改變電阻(熱珠溫度下降時(shí)電阻增加，熱線溫度下降時(shí)電阻減少)。維持熱線溫度的電流的變化與氣體流速成正比。熱線式傳感器易受外環(huán)境因素影響，如氣壓的改變，海拔高度，氣體密度(如呼出氣氧濃度不同)等。，在環(huán)境溫度、壓力與標(biāo)定溫度、壓力相差較多時(shí)其流速(或容量)測(cè)定值可發(fā)生偏差，應(yīng)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)化補(bǔ)償，溫度、壓力修正。此外該傳感器在低流量測(cè)定時(shí)線性反應(yīng)稍差。Minato AS系列肺功能機(jī)，Gould 218X系列，SensormedicsVmax229等屬熱敏式肺量計(jì)。2.1.2.3 葉輪式和渦輪式流量計(jì)(Vort

9、ex shedding)。依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)部件(葉輪或渦輪)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與流體速度成正比的特性進(jìn)行測(cè)量。氣流通過(guò)時(shí)推動(dòng)葉輪或渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪式采用光電調(diào)調(diào)制原理，通過(guò)光電效應(yīng)，渦輪式采用磁電調(diào)制原理，通過(guò)磁電效應(yīng)，把葉輪或渦輪的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。由于葉輪的運(yùn)動(dòng)慣性和轉(zhuǎn)軸與軸承間摩擦力矩等因素，會(huì)影響傳感器的精度。此種誤差部分可通過(guò)電子線路予以補(bǔ)償。但氣流停止通過(guò)時(shí)渦輪仍可有慣性轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生誤差，且不能內(nèi)定標(biāo)，是其缺點(diǎn)。如ChestHi-298,498等肺功能機(jī)。2.2 氣體分析儀目前常用的氣體分析儀按其分析原理可分為以下數(shù)種：2.2.1 物理氣體分析儀：如順磁性氧濃度計(jì)，當(dāng)氧分子通過(guò)一磁場(chǎng)時(shí)，在

10、磁場(chǎng)力的作用下，因氧有順磁性，向磁力強(qiáng)區(qū)聚集，而非磁性氣體如氮?dú)鈩t聚向弱磁區(qū)。2.2.2 電子分析儀：依熱導(dǎo)性原理測(cè)量及惠斯電橋以比較不同氣體通過(guò)兩線的電流阻力。2.2.3 電化學(xué)分析儀：利用電極介質(zhì)介面上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)，將被測(cè)介質(zhì)(如O2)的化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電量?；緶y(cè)量系統(tǒng)包括電解質(zhì)溶液、電極、及測(cè)量電路。一旦啟用，由于不斷進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)消耗電解質(zhì)溶液和電極，此傳感器使用壽命較短(一般半年至一年)。2.2.4 質(zhì)譜儀：中性的氣體原子在電子被俘獲后形成離子，在磁場(chǎng)力的作用下發(fā)生偏傳，不同的氣體偏轉(zhuǎn)角度各異。利用此原理可將各氣體組分分開并定量測(cè)定。2.2.5 氣相色譜儀：利用混合氣體中各組分在互

11、不相溶的二相之間分配的差異而使各氣體成分分離。2.2.6 紅外CO2監(jiān)測(cè)儀：利用CO2對(duì)紅外線的吸收原理檢測(cè)。2.3 壓力計(jì)：是指測(cè)量流體壓力的儀器。臨床醫(yī)學(xué)中主要作呼吸肌肉力量測(cè)定和肺順應(yīng)性測(cè)定。2.3.1 U型管壓力計(jì)：以水或水銀作工作介質(zhì)。多用作測(cè)量壓力的標(biāo)準(zhǔn)器，但讀數(shù)和記錄不方便。2.3.2 膜片偏位式壓力計(jì)：通過(guò)相應(yīng)于被測(cè)壓力的感應(yīng)元件的膜片位移，把位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，并作指示和記錄。3 肺功能儀的技術(shù)要求3.1 容量測(cè)定：肺量計(jì)容量測(cè)定能力應(yīng)8L；任何容量測(cè)定的誤差2%，或50ml(取兩者中最大者)；分辨率25ml最低驅(qū)動(dòng)壓0.03kPa；定標(biāo)筒容量應(yīng)1l3.2 時(shí)間測(cè)定：誤

12、差2%；FVC測(cè)定記錄時(shí)間14s；3.3 流量計(jì)測(cè)定范圍：015l/s；誤差4%，或0.07l/s(取兩者中最大者)；3.3.1 壓差式流量計(jì)：阻力0.1kpa/l/s；應(yīng)有預(yù)熱，以預(yù)防水蒸汽沉積；3.4 氣道阻力測(cè)定：范圍02kPa/l/s;誤差0.01kPa/l/s3.5 氣體分析：肺容量測(cè)定時(shí)CO20.5%He測(cè)定范圍010%，誤差應(yīng)1%；CO測(cè)定范圍00.3%，誤差應(yīng)1%；氣體循環(huán)量最少180l/min4 常用的肺功能儀11：4.1 Sensormedics 2200型肺功能儀(美國(guó)Sensormedics公司)：由熱線式雙流量測(cè)定計(jì)，多種氣體紅外線分析儀組成?？勺魍夤δ?包括流速/

13、容量環(huán)、肺活量及最大通氣量)、一次呼吸法彌散功能、通氣分布及閉合氣量、肺容量(包括殘氣量及功能殘氣量)等測(cè)定。并可通過(guò)內(nèi)呼吸彌散技術(shù)(無(wú)需要屏氣)，作彌散功能及心排量測(cè)定。該系統(tǒng)可作氣體濃度、流量定標(biāo)，其中氣體分析器可自動(dòng)定標(biāo)。氣體分析儀可分析N2，CO，CH3，C2H2等，采樣量少于200ml，這利于對(duì)呼出容量較少的對(duì)象如限制型通氣功能障礙者或小兒病者作呼出氣分析。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為200ms300ms。呼吸回路為單向無(wú)管道式設(shè)計(jì)，易于清潔消毒，避免交叉感染，且死腔量少(只有130ml)。該系統(tǒng)支持軟件豐富，可作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及預(yù)計(jì)值編輯等。技術(shù)指標(biāo)：流量計(jì)精度0.3%或0.1l/s，量程0.116l

14、/s,分辨率0.3l/s，容量精度3%或50ml，氣道通道阻力1.5cmH2Ol/s(在12l/s時(shí))。氣體分析器精度0.006%，量程：0.000.33%，分辨率：0.0005%。采樣流量100ml500ml/min，響應(yīng)時(shí)間300ms(500ml/min時(shí))。氮分析儀精度2%，量程095%，分辨率0.1%，響應(yīng)時(shí)間45ms。4.2 Sensormedics 6200體積描記儀(美國(guó)Sensormedics公司)：由壓力/流量型體積描記儀、熱線式流量計(jì)及多種氣體分析儀組成，可測(cè)量時(shí)間肺活量，流速容量環(huán)(口流速-口容量，口流速-肺容量，肺流速-肺容量)最大自主通氣量，胸腔內(nèi)壓縮容量，平靜呼吸或

15、淺促呼吸之氣道阻力，靜態(tài)及動(dòng)態(tài)肺順應(yīng)性，一次呼吸法彌散力，內(nèi)呼吸法氣體分布，支氣管擴(kuò)張劑吸入前/后比較等，因此參數(shù)較為齊全可完成肺功能測(cè)試的大多數(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目。技術(shù)指標(biāo)：(1) 熱線式流量計(jì)：同2200型(2) 快速反應(yīng)多種氣體分析儀，同2200型(3) 壓力傳感器，可進(jìn)行容量/流量定標(biāo)(3L定標(biāo)筒)箱體/經(jīng)口壓及氣體成分定標(biāo)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1量程精度分辨率箱壓5 cmH2O1%全量程3.8105cmH2O口壓120cmH2O1%全量程0.007 cmH2O室壓500800mmHg2mmHg1mmHg溫度10450.10.14.3 FUDAC50型肺功能儀(日本FUKUDA SANGY公司)：

16、由干式滾桶肺量計(jì)。熱導(dǎo)He分析儀。紅外CO分析儀及氮分析儀等組成?？勺鲿r(shí)間肺量圖、流速容量環(huán)、靜態(tài)肺活量、最大自主通氣量、氮沖洗功能殘氣量、一口氣法彌散力、氧耗量、基礎(chǔ)代謝率測(cè)定等，尚可附加閉合氣量，N2沖洗氣體分布等測(cè)定。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表2 表2量程精度重復(fù)性反應(yīng)時(shí)間干式滾桶肺量計(jì)容量01013%讀數(shù)或50ml2%全量程氣體0141/s5%讀數(shù)或0.21/s2%全量程分析儀He010.0%2%全量程15sCO00.3%1%全量程10sN2080%2%全量程50s4.4 Chestac-25型(日本Chest公司)：由干式滾桶肺量計(jì)、紅外線CO控制器、熱導(dǎo)He檢測(cè)器及負(fù)壓flow-discharg

17、e N2檢測(cè)器組成，可作肺活量、時(shí)間肺活量、流速/容量環(huán)、最大自主通氣、N2沖洗法功能殘氣量、一口氣彌散力、基礎(chǔ)代謝率及等容積流速曲線測(cè)定，閉合氣量，N2沖洗肺內(nèi)氣體分布等。亦可附加測(cè)定。技術(shù)指標(biāo)：容量量程：0101流速量程：020l/s系統(tǒng)阻力：0.2cmH2O/l/s,精度：2%全量程CO分析器：量程00.30%，精度：2%全量程；反應(yīng)時(shí)間30sHe分析器：量程010%，精度：2%全量程；反應(yīng)時(shí)間10sN2分析器：量程0100%，精度：2%全量程；反應(yīng)時(shí)間150ms4.5 SP-3600型肺功能儀(美國(guó)Respironic偉康公司)：該系統(tǒng)采用壓差式傳感器測(cè)定呼吸流量，符合ATS、ECCS

18、等肺功能儀標(biāo)準(zhǔn)，可作肺通氣功能及支氣管舒張實(shí)驗(yàn)、支氣管激發(fā)試驗(yàn)等，并有趨勢(shì)圖及PD20計(jì)算。傳感器前帶細(xì)菌過(guò)濾片避免病人的交叉感染，病人資料經(jīng)電腦儲(chǔ)存易干查詢及調(diào)用，該系統(tǒng)采用3L定標(biāo)器定標(biāo)。4.6. 便攜式肺功能儀：4.6.1 Minato AS-300,-500,-600,-Pal等型肺功能儀(日本Minato公司)：流量傳感器為熱線式，雙相測(cè)定。傳感器設(shè)有過(guò)濾室，便于清潔消毒?？勺鲿r(shí)間肺量圖、流速容量曲線，靜息通氣功能(TV、IRV、EV等)檢測(cè)。500、600、Pal型可作呼/吸雙相流速容量測(cè)定，可通過(guò)液晶熒屏實(shí)時(shí)顯示最大自主通氣、吸呼雙相的流速及容積。程序設(shè)計(jì)采用人機(jī)對(duì)話方式，菜單顯示，操作簡(jiǎn)便，600及Pal型有輔助診斷星型圖可作支氣管擴(kuò)張劑吸入或激發(fā)試驗(yàn)前后(可儲(chǔ)存8次結(jié)果)比較，并顯示趨勢(shì)圖，自動(dòng)計(jì)算PD20；可儲(chǔ)存3個(gè)測(cè)定者所測(cè)之?dāng)?shù)據(jù)。選配13L定標(biāo)筒定標(biāo)，以確保數(shù)據(jù)之精確。技術(shù)指標(biāo)：符合ATS等標(biāo)準(zhǔn)。容量精度3%或50ml；流速精度：3%(最大15l/s)；量程0.0110l，流速顯示0.0112l/s；打印：45mm色帶打印(300、500型)或114mm彩色墨水打印(600