動物用力肺通氣功能的測定

陳旭鳴

山西省人民醫院 工程師室，山西太原 030012

臨床中，用力肺通氣功能指標（如FVC、FEV1等）已經作為診斷和評價慢性阻塞性肺氣腫(COPD)疾病的必需指標。一種新的治療方法或藥物在應用于臨床之前，必須首先得到相近動物實驗的證實。

臨床檢查中，在測試用力肺通氣功能的過程中，需要測試者的配合：開始時，讓測試者用力吸氣至肺總量(TLC)的水平，然后再用最大力氣將肺內的氣體呼出至殘氣容積(RV)。

動物實驗中，動物不能夠主動配合，自身無法完成用力吸氣和呼氣。因此，我們設計了一種近似的方式來測量動物用力肺通氣功能的相關指標，通過自動控制的方法輔助實現用力吸氣和呼氣的功能。

1 測定原理和方法

測量過程中，動物的肺容量經過傳感器、信號放大處理、模數轉換為計算機可以識別和處理的數字信號，當判斷為一個呼吸周期的呼氣末時，計算機通過串行接口向呼吸機發送一個測量開始信號，呼吸機接到控制指令后，將工作方式轉為持續吸氣方式，當計算機監測到吸入的氣量達到所設定的肺總量(TLC)的時候，向呼吸機發出用力呼氣的命令，呼吸機接到指令后，將工作方式轉為用力呼氣方式，動物將在一個負壓的環境下被動用力呼氣，呼氣過程結束后，計算機向呼吸機發出測定結束指令，呼吸機隨后轉為普通的機械輔助通氣方式。

用力肺通氣功能指標主要包括： FVC(用力肺活量)、FEV0.1（用力0.1s呼氣容量）、FEV0.3（用力0.3s呼氣容量）、FEVx(用力任何時間的呼氣容量,由用戶設定)、FEVX/FVC、MET（最大呼氣中段時間）、MMF（最大呼氣中段流量）、MTT（用力呼氣肺量平均排出時間）、FEF25（呼出25%用力肺活量時的流速）、FEF50（呼出50%用力肺活量時的流速）、FEF75（呼出75%用力肺活量時的流速）、PEF（最大呼氣流速）等參數。

采用體積箱法測定動物的肺容積。測定時，動物被放入一個密閉的體描箱內。動物呼吸時，胸廓的擴張與收縮壓縮了箱內的氣體，使箱內氣體容積發生變化。容積的變化又引起箱內壓力的改變。通過測量箱內氣體壓力的變化值，間接獲取肺容積的變化。根據波義耳定律推導，肺容積變化與體描箱內壓力變化呈線性關系，其比例關系大小可以通過定標確定。

圖1 壓力信號轉換原理圖

壓力信號通過精密壓力傳感器轉換為模擬電信號，經過信號放大、濾波、A/D轉換轉化為計算機可以處理的數字信號。其處理過程如圖1：

其中低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過，但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。巴特沃斯濾波器是濾波器的一種設計分類，采用巴特沃斯傳遞函數，有高通、低通、帶通、高通、帶阻等多種濾波器類型。巴特沃斯濾波器在通頻帶內外都有平穩的幅頻特性，但有較長的過渡帶，在過渡帶上很容易造成失真。

2 系統構成

測定系統采用壓力型體積描記模式，主要包括體描箱、信號調理器、智能小動物呼吸機、負壓器、軟件分析系統，其框圖如圖2：

圖2 動物肺功能分析測量系統結構圖

體描箱是一個可以密閉的測定倉，包括活動體、固定體、密封圈、密閉螺釘等部件。活動體上含有動物支撐板、呼吸機通道、氣道壓力通道、肺容積通道、心電通道、自動平衡通道等。實驗時，將麻醉后的動物氣管做插管術后，將其與呼吸機通道相連。對于大動物，如兔子，可以采用特殊的氣管插管進行無創測量。

傳感器在本系統硬件設計中是一個關鍵性的部件，選用進口的精密硅微結構壓阻式微弱壓力傳感器，滿量程為1kPa，線性度為0.05%，此類傳感器采用三維膜片結構，并且由離子注入工藝形成、經激光修正的X型電阻代替惠斯通電橋。用硅刻蝕工藝將產生的應力集中在傳感器電阻處，壓力更為集中，壓阻的變化明顯增加，大大提高了靈敏度。此傳感器具有精度高、線性度好、重復性好、穩定性高、可靠性高等優點。同時此傳感器由于采取了溫度補償措施，在0~70℃范圍內傳感器的滿量程和零點有很高的穩定性。

信號調理器的功能是對傳感器送來的變化信號（氣道壓力、肺容量、心電、血壓等）加以放大和處理，以滿足系統對信號的要求。其質量、性能的優劣是決定系統精度的另一個關鍵。本模塊采用美國BB公司生產的高精度儀器儀表放大單元，共模抑制比大于120dB，精確度誤差小于0.1%。

小動物呼吸機為實驗中的動物提供氧氣支持，以無油空氣壓縮機為動力，通過單片機的智能控制，將氣體有節律地輸入氣道，使肺擴張，以達到氣體交換的目的，之后將交換出的二氧化碳氣體排出體外。為了實現負壓呼氣方式，擁有兩個排氣通道，一個通道排出至大氣，一個通道排出至負壓器。呼吸頻率調節范圍為1～300次/min，潮氣量調節為0.01～300mL，呼吸比調節為1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、3:1、2.5:1、2:1、1.5:1。其原理圖如圖3：

圖3 動物呼吸機原理圖

負壓器是產生一個穩定負壓的裝置，其由真空泵和平衡容器組成。負壓的大小等于容器內水的高度，通過改變玻璃密閉容器內水的高度調節負壓的大小。其原理圖如圖4：

圖4 負壓器原理圖

軟件分析系統(見圖5)包括數據采集、實時分析控制、曲線動態顯示、趨勢圖、數據轉換、數據存儲、回訪分析、打印等模塊。程序是在windows visual studio .NET 2003環境下編寫的，運行于Windows98/2000/XP平臺，采用模塊化結構，系統為中文界面，功能很強、易于擴展、穩定性好、操作簡單。數據采集模塊采用獨立線程，增強了處理速度和控制的實時性、不會發生丟點現象。

3 應用

圖5 軟件分析系統

本系統主要用于慢性阻塞性肺氣腫（COPD）等阻塞性氣道疾患的生理和藥理學研究。氣道阻塞或狹窄引起的氣體流量下降，會反映出相應用力肺通氣功能指標的下降。

一種新的治療方法和藥物要成功應用到臨床中，必須先在相近的動物實驗上得到證實，一般分為三個組，一組為正常組，一組為模型組，一組為治療組。正常組為正常健康的動物，模型組為患有疾病的動物，治療組為通過某種方法治療過的動物。圖6數據是一組正常組、慢性阻塞性肺氣腫（COPD）模型組、某中藥治療組、某西醫治療組的大鼠的實驗數據比較曲線。縱坐標軸代表FEV0.2/FVC的百分比值，橫坐標軸代表樣例順序。從數據可以看出：某中藥治療方法與某西藥治療方法對患有慢性阻塞性肺氣腫（COPD）的大鼠具有明顯的治療效果。

圖6 大鼠的實驗數據對照曲線

4 結束語

本文設計開發了用于測量評價動物用力肺通氣功能的測定系統，隨著電子技術和測量方法的不斷發展，也會不斷地減小控制的延遲時間，進一步提高測定用力肺功能相關指標的檢測精度，為醫學研究提供更加準確的實驗數據。

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