基于模擬人體肺內氣體狀態的肺功能儀測試系統設計

顧加雨 張 超 夏 炎

肺功能儀是呼吸系統疾病的診斷設備，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呼吸生理指標，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重程度均具有重要的臨床意義[1-2]。

隨著醫療衛生技術的發展，肺功能儀的技術性能及檢測項目也在不斷提高與增加，肺功能儀已經廣泛應用于醫療衛生診斷和人體生理科學研究等領域。計量是科學診斷的保證，計量為醫療設備質量控制提供量化指標。由于肺功能儀的生產廠商眾多，產品之間性能差異較大，導致不同醫院的肺功能測試結果相差甚遠，直接影響臨床診斷的準確性，因此，肺功能儀的計量校準非常重要[3]。為了加速肺功能儀測試的標準化，美國胸科協會(American Thoracic Society，ATS)和歐洲呼吸學會(European Respiratory Society，ERS)先后制訂了肺功能儀的質量檢測標準，對其質量控制提出了明確要求，促進了肺功能儀的臨床應用[4]。我國制定的“肺功能儀校準規范”(JJF1213-2008)[5]解決了肺功能儀質量控制和量值溯源問題。目前，國內外使用的肺功能儀定標檢測儀器主要有依據校準規范研制的SCD-A型肺功能儀校準裝置(中國測試技術研究院)[6-7]和1120型流量容積模擬裝置(美國Hans公司)兩種。然而，現有的肺功能儀測試系統均未進行人體肺內氣體模擬，未能反映人體內部氣體溫度和濕度的修正，故而影響精確測量的準確度。為此，本研究設計一種模擬人體肺內氣體狀態、帶有溫度和濕度傳感器的測試系統，可通過加熱、冷卻和加濕裝置進行氣筒內氣體溫度和濕度控制，進而提高測量水平，并使其達到人體體溫、大氣壓及水蒸氣飽和狀態(body temperature，pressure，water vapour-saturated，BTPS)[8]。

1 肺功能儀測試系統設計

1.1 設計思路

人體通過胸腔肋骨間肌肉的擴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境呼出氣體，從而完成空氣的交換，最終實現人體呼吸運動，為人體提供所需的氧氣[9-10]。設計的肺功能儀測試系統是一種模擬人體肺內氣體狀態的肺功能儀測試儀，其中包括腔體、位于腔體內的活塞、溫度調節裝置、濕度調節裝置、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、絲杠機構、驅動電機和控制器等部件，見圖1。

圖1 肺功能儀測試系統結構示意圖

1.2 系統性能

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

2 肺功能儀測試系統功能模塊設計

2.1 腔體

腔體為密封腔體，腔體內部設置有可滑動的活塞，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構，絲杠傳動機構與驅動電機傳動連接，驅動電機帶動絲杠傳動機構轉動進而驅動絲杠和活塞實現軸向往復運動，腔體遠離絲杠傳動機構一側的腔壁上安裝有氣管，氣管與腔體內部空間連通，氣管與待測肺功能儀的進氣端連接。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，安裝架底部設有滾輪，安裝架采用鏤空結構，在保證實用性和耐用性的基礎上減輕裝置重量。

2.2 溫度和濕度傳感器

腔體內設置有溫度傳感、濕度傳感器以及壓力傳感器，傳感器均設置在氣管內并與其控制器相連接。濕度傳感器控制器通過控制加濕設備的工作狀態進而控制腔體內的氣體濕度。溫度傳感器共有兩個，分別設置在腔體內活塞兩側空間內，兩組溫度傳感器能夠精準測量出腔體內的溫度變化，提高準確度。加濕設備為濕化器，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，能夠實時檢測腔體內的氣壓數據并發送到檢測終端。

2.3 絲桿

絲杠傳動機構中使用定位管，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形擋板。定位管的端部外套有旋轉套筒，旋轉套筒與定位管的連接端向內延伸形成環形卡板，環形擋板阻檔環形卡板向外滑動，且環形卡板夾在兩組滾子軸承之間。定位管外側設置有限位套筒，限位套筒通過限位螺釘固定在定位管側壁上。兩組滾子軸承夾在限位套筒的側壁和環形擋板之間，旋轉套筒內壁固定安裝有內套筒，內套筒的內徑與定位管內徑相同而且其內壁加工有螺紋。絲杠與內套筒通過螺紋傳動連接，絲杠依次穿過內套筒和定位管與活塞固定連接，內套筒和旋轉套筒通過定位環固定連接，定位環通過螺釘固定安裝在內套筒和旋轉套筒的端面，旋轉套筒外側面與傳動齒輪嚙合連接，傳動齒輪與電機輸出軸固定連接，電機輸出軸與驅動電機傳動連接。在傳動齒輪帶動旋轉套筒轉動時，旋轉套筒和絲杠發生相對轉動，由于旋轉套筒不能發生軸向位移，因此會驅動絲杠在軸向發生位移，進而帶動活塞做往復運動，見圖2。

圖2 肺功能儀測試系統絲杠傳動機構結構圖

2.4 控溫管路

腔體的外側面設置有控溫管路，控溫管路為加熱管和冷卻管并排環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 肺功能儀測試系統加熱管及冷卻管控制器結構圖

加熱管端口和冷卻管端口均設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，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設置有兩組水泵，分別將冷液源的冷夜泵入冷卻管內，將熱液源的熱液泵入加熱管內。加熱管及冷卻管控制器內設置有熱源水泵和冷源水泵，熱源水泵的進水端與熱液源連接，熱源水泵的出水端與溢流閥連接。第一溢流閥設置在加熱管回路內，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置在熱液源與加熱管電磁閥之間。冷源水泵的進水端與冷液源連接，冷源水泵的出水端與第二溢流閥連接，第二溢流閥設置在冷卻管回路內。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置在冷液源與冷卻管電磁閥之間。當第一溢流閥或第二溢流閥打開后，在冷源水泵或熱源水泵的驅動下，實現冷液或熱液的循環流動；當第一溢流閥或第二溢流閥關閉后，溢流閥開啟，將冷液或熱液流回冷液源或熱液源內。

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。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，同時保證溫度調節的均勻性，可避冷卻管與加熱管相互接觸。

2.5 驅動電機

驅動電機為步進電機，與編碼器信號連接，編碼器能夠控制步進電機的轉動速度、轉動頻率、轉動距離以及轉動方向。在軟件中輸入控制參數，由控制軟件驅動控制器并向編碼器發送驅動信號，使步進電動機轉動，帶動齒輪傳動，使腔體內的活塞運動，最終吸入或排出空氣；同時，編碼器向驅動器返回電動機的運動參數及運動狀態。

3 結論

肺功能儀是檢測患者肺功能的主要手段，其性能的優劣會直接影響患者的診斷結果，故肺功能儀的質量控制非常重要。本研究設計的一種模擬人體肺內氣體狀態的肺功能儀測試系統通過加熱和加濕等控制裝置來調節氣體溫度和濕度，不僅能夠完成肺功能儀參數的校準，還可以模擬人體肺內BTPS的氣體狀態，同時輕便便攜，易于現場進行肺功能儀的校準。