醫(yī)用呼吸道濕化器熱能測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王麗明 薄磊 劉茹 朱仁紅

1江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 （ 南京 210022）

2無錫吉科電子有限公司 （ 無錫 214002）

0.引言

醫(yī)用呼吸道濕化器作為常規(guī)的吸入氣體濕化方式在臨床上廣泛應(yīng)用，其工作原理為采用電加熱的方式對濕化水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生溫度適宜的水蒸汽，與吸入氣體混合，從而達(dá)到加溫、加濕吸入氣體的目的。（見圖1）正常的人體呼吸通道具有自然的調(diào)整機(jī)制，能保障所吸入的氣體進(jìn)入肺部時(shí)，溫度約37?C、相對濕度（RH）100%、絕對含水量（絕對濕度，AH）約44mg/L。而患者在行呼吸機(jī)治療建立人工通道后，失去自然調(diào)整機(jī)制，若不對吸入氣體進(jìn)行濕化和溫化，會造成下呼吸道失水、黏膜干燥、分泌物干結(jié)、纖毛活動減弱或消失、排痰不暢，進(jìn)而發(fā)生氣道阻塞、肺不張和繼發(fā)感染等并發(fā)癥。因此，吸入氣體的加溫和濕化在改善呼吸功能、防治各種并發(fā)癥的發(fā)生中發(fā)揮著舉足輕重的作用，但若吸入氣的濕度或溫度過高，也會對機(jī)體造成不利影響。研究表明，持續(xù)性的高溫傳輸氣體輸送給患者，41?C以上就會對患者有潛在的熱傷害，溫度達(dá)到44?C，接觸6h后將會對呼吸道組織產(chǎn)生不可逆的損傷。

圖1. 醫(yī)用呼吸道濕化器

因此，YY0786-2010《醫(yī)用呼吸道濕化器 呼吸濕化系統(tǒng)的專用要求》中51.103規(guī)定，“在正常狀態(tài)和單一故障狀態(tài)下，平均時(shí)間30s以上時(shí)，患者連接端口處的過熱應(yīng)不超過相當(dāng)于43?C和100%相對濕度（比焓不應(yīng)超過194kJ/kg）的能量?！本哂写祟愐?guī)定比焓的溫度和相對濕度組合的例子見表1。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律：熱力系內(nèi)物質(zhì)的能量可以傳遞，其形式可以轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中各種形式能源的總量保持不變。因此，濕化器可以理想化為在恒壓條件下，高溫飽和空氣轉(zhuǎn)化為低溫飽和空氣的過程中，傳遞熱能即為兩個(gè)不同溫度條件下的熱容量之差。1L飽和空氣從50?C時(shí)冷卻到37?C時(shí)熱容量見表2。

表1. 認(rèn)可的溫度和相對濕度組合的例子

其中，Qa為空氣傳遞的熱能，Qw為水傳導(dǎo)熱能，Qwv為水蒸氣的熱傳遞，Qlhv為蒸發(fā)潛能，傳輸總量Qtotal=Qa+Qw+Qwv+Qlhv。

氣體在體溫和完全飽和的狀態(tài)下（37?C和RH100%），是不會與37?C體溫的患者之間發(fā)生熱能交換，體溫狀態(tài)的干燥氣體（37?C和RH0%）蒸發(fā)將消耗熱能。氣體由41?C和完全飽和狀態(tài)下轉(zhuǎn)化為患者呼吸的干燥氣體所轉(zhuǎn)化的熱量小于130kJ/kg。因此監(jiān)測醫(yī)用呼吸道濕化系統(tǒng)濕化氣體的溫度和熱能轉(zhuǎn)化輸出是十分必要的。

YY0786對醫(yī)用呼吸道濕化器的熱能轉(zhuǎn)化輸出上限提出了要求，從表1我們可以看出，單純地對溫度加以控制是無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的，必須限制輸出熱能不至于對患者造成熱傷害，熱能輸出量是通過比焓來考察，而比焓是不可直接測量的，它是由氣體的溫度和水蒸汽含量決定的，因此監(jiān)測比焓就成為控制濕化器熱能輸出量的唯一手段。然而，目前缺乏成熟的能夠直接測量比焓的此類裝置。因此，本文依據(jù)YY0786對濕化器熱能輸出的限值要求設(shè)計(jì)一套通過直接測量傳輸氣體溫度和濕化室出口處溫度，從而轉(zhuǎn)化為比焓的測量裝置。

表2. 1L飽和空氣在50?C時(shí)冷卻到37?C時(shí)熱容量

1.理論

熱力學(xué)理論告訴我們，當(dāng)物體受熱時(shí)會產(chǎn)生兩種明顯的變化，一是該物體溫度上升，另一是該物體體積改變。而溫度上升表示物體內(nèi)能的增加，物體體積的改變則表示此物體對外界做功，由能量守恒定律可得：dQ=dU+dW，

dQ為外界通過熱作用對體系做的功，dU為內(nèi)能改變量，W為體系通過非熱作用對外界做的功；

在等壓條件下的計(jì)算功：dW=pdV

得出：dQ=dU+pdV，這就是熱力學(xué)第一定律。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)在理想的絕熱狀態(tài)時(shí)，功只取決于系統(tǒng)初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)的能量，和過程無關(guān)。因此，濕化器可以理想化為在恒壓條件下，高溫飽和空氣轉(zhuǎn)化為低溫飽和空氣的過程中，傳遞熱能即為兩個(gè)不同溫度條件下的熱容量之差。本文研究的濕化器熱能測試系統(tǒng)就是基于此種理論。

在恒壓條件下，加熱傳遞過程依據(jù)最初相和最終相的量值U+pV改變，所有的這些量是熱力學(xué)性質(zhì)，為系統(tǒng)狀態(tài)功能的函數(shù)，因此他們的組合也一定有這些相同的特性，定義新的廣延性質(zhì)為焓（H）：H=U+pV

單位質(zhì)量物質(zhì)的焓成為比焓，即焓與質(zhì)量之比：h=H/M。

“廣延性質(zhì)”意為一種不能被直接測量但可以被計(jì)算的量值（例如焓），與之對應(yīng)的是強(qiáng)度性質(zhì)，這類量值可以直接測量（例如溫度）。因此，為了得到不能被直接測量的比焓，可以通過對溫度的測量并進(jìn)行計(jì)算得到比焓。

YY0786附錄CC.1給出了比焓的計(jì)算過程如下，本文的醫(yī)用呼吸道濕化器熱能測試系統(tǒng)的比焓計(jì)算就是據(jù)此實(shí)現(xiàn)：

td傳輸氣體溫度，單位?C；

th傳輸氣體溫度或濕化室出口處溫度，單位?C，取低者；

絕對溫度T，單位K；

蒸汽壓力pV，單位kPa，計(jì)算公式如下：

濕氣比w，以質(zhì)量比表示（kg/kg），計(jì)算公式如下（承受的總的氣體壓力＝101.325kPa）：

比焓h，計(jì)算公式如下：

2.實(shí)現(xiàn)

2.1 建立框圖

濕化器熱能測試系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖2所示：通過空氣壓縮機(jī)驅(qū)動濕化器正常工作，使?jié)窕髂M配合呼吸機(jī)使用時(shí)的空氣流通，采集必需的溫度數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，取可用數(shù)值進(jìn)行配比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可反饋至控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)濕化器的流量，取得各種不同條件下熱能輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動采集、記錄、計(jì)算，最終顯示并存儲測試結(jié)果，聯(lián)機(jī)打印。

2.2 數(shù)學(xué)建模及軟件實(shí)現(xiàn)

用數(shù)學(xué)語言描述比焓的計(jì)算過程，掌握比焓特征，并進(jìn)行必要簡化，用數(shù)學(xué)工具刻畫變量間數(shù)學(xué)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，最后將分析結(jié)果與實(shí)際比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性、合理性和適用性。建立的數(shù)學(xué)模型用軟件語言匯編實(shí)現(xiàn)，為強(qiáng)調(diào)執(zhí)行效率和穩(wěn)定，采用VC++可視化編程平臺。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)界面如圖3所示。

2.3 硬件準(zhǔn)備

按照以下原則選取溫度傳感器：

（a）在水中以1m/s流速實(shí)現(xiàn)22?C階躍到37?C時(shí)，溫度傳感器時(shí)間常數(shù)在0.5s～1.0s之間；

（b）環(huán)境溫度對傳感器精度的影響<0.01?C/1?C。

同時(shí)，采用空氣壓縮機(jī)驅(qū)動壓縮氣體通過濕化器以模擬醫(yī)用呼吸道濕化器與呼吸機(jī)的配合工作的方法，我所在濕化器的型式檢驗(yàn)中已多次進(jìn)行過相關(guān)試驗(yàn)，行業(yè)內(nèi)也認(rèn)可此種方法的可行性。

2.4 系統(tǒng)調(diào)試

將硬件和軟件整合調(diào)試，優(yōu)化組合方案，并進(jìn)行測試驗(yàn)證工作。

3.小結(jié)

本系統(tǒng)基于熱力學(xué)第一定律設(shè)計(jì)開發(fā)，設(shè)計(jì)思想科學(xué)有效，計(jì)算方法化繁為簡，操作界面可視性強(qiáng)，不失為有效解決醫(yī)用呼吸道濕化器熱能測試中缺乏必要測試手段的途徑之一。

[1]YY0786-2010，醫(yī)用呼吸道濕化器 呼吸濕化系統(tǒng)的專用要求[S]

[2]施明恒，李鶴立，王素美.工程熱力學(xué)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2003

[3]朱元鈺，陳文彬.呼吸病學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006