文摘

精确测量的气体交换在机械通气和呼吸监测至关重要。在大量的商业流量计中,只有几种传感器用于这些领域。其中,变量孔米(VOMs)显示了一些有价值的特性,如线性度、动态响应好,成本低。介绍了表征的商业用于呼吸监测的应用程序生效。首先,两个名义上的相同VOMs校准在±10 L·分钟−1,以评估他们的计量属性。此外,实验由加湿空气,评价蒸汽凝结在传感器的性能的影响。凝结的影响在两个持久试验(即研究。4小时)交付4 L·分钟−1和8 L·分钟−1。数据显示,两家VOMs响应线性和他们的反应相当(敏感性1.4%,差RMSE 1.50 Pa);他们歧视阈值< 0.5 L·分钟−1,结算时间是66 ms。VOM内的冷凝产生一种微不足道的变化,传感器灵敏度和精度非常轻微的恶化。良好的静态和动态性能和低影响凝结在传感器的反应使这适用于呼吸功能监测应用程序生效。

1。介绍

在人工通气和呼吸功能监测流量计的使用是需要执行的准确和连续监测气体交换。它们的输出是用来估计分钟通气量和潮汐卷;因此其准确性是至关重要的执行正确的诊断,避免常见的副作用有关未修正的机械通气(1]。此外,流量计中发挥关键作用的无创性评估机械通气患者的代谢气体交换的间接量热法(2)和无创心输出量监测技术(3,4]。

在所有这些应用中,流量计必须准确地监测患者呼吸或流型由机械通风。因此,他们必须满足严格的要求方面的动态和静态计量属性。这些传感器通常用于监测患者在长久的通风;因此他们必须能够拒绝气体成分的影响和蒸汽冷凝的影响(5]。这个问题至关重要,因为(i)气体在机械通风可以体验大的变化组成,(2)气体过期患者具有较高的相对湿度的内容会导致蒸汽冷凝,和(3)侵入性机械通气的吸入气体加湿设备放置在呼吸的吸气臂电路、通风机和病人之间的关系。

中大量的商业流量计、差压流量计是最常用在工业过程(尤其是广场小幅同心孔米(6])和广泛应用在机械通气和呼吸监测。他们的工作原理是基于一个孔板放置在管道中气体的流动。限制的存在会导致压降在孔板,根据伯努利定律。虽然固定孔米有几个优势(例如,制造简单,健壮的、准确和具有良好的动态性能),其使用在机械通气和呼吸监测是有限的非线性响应(7]。几项专利和研究一直集中在孔板流量计的设计与小说孔的几何特征(如分形形状的8和槽形孔9]),但唯一的解决方案允许克服相关问题的非线性是由设计变量孔米(VOMs)。专利基于不同的配置(例如,瓣灵活表等材料制成的塑料或不锈钢)提出了(10- - - - - -12]。在这些传感器皮瓣,减少中间并放置到气体流,创建一个通道面积扩大的流量增加。结果是孔的阻力与流量几乎是常数;因此,校准曲线是线性测量范围是广泛的固定孔米(13]。

其他两个解决方案允许获得一个线性电阻流量计。这些流量计,称为pneumotachographs,基于电阻由许多平行毛细管或细网,分别由Fleisch提出和礼来公司(14,15]。他们的工作原理是支撑Hagen-Poiseuille定律;因此压降之间的关系在阻力和流量是线性的。虽然这些传感器是健壮的和有良好的计量属性,其主要缺点是有关蒸汽冷凝的风险在他们的阻力,导致测量误差(高16]。为了克服这个问题,一个更复杂的配置基于毛细管的加热或钢丝网的建议。

VOMs可能最小化这个问题由于配置基于单一限制。

使用它们在几个商业机械通风(例如,通风Hamilton-C1, Hamilton-C2, Hamilton-C3, Hamilton-T1, Hamilton-S1, Hamilton-G5,和伽利略的汉密尔顿医学和呼吸器鸟CareFusion第8400和船帆座C)。尽管大量使用VOMs领域的机械通气和呼吸监测、科学文献不存在研究专注于他们的计量特性和蒸汽凝结在他们的反应的影响,至少对我们的知识。

这项工作的目的是三倍:(i)执行商业可用的静态校准用于呼吸监测生效。敏感性,歧视阈值,这个传感器的双向性的特点。此外,两个名义上相同的传感器的校准曲线进行比较来分析他们的再现性;也本文(ii)的阶跃响应实验评估VOM和(iii)调查的影响蒸汽凝结在的反应生效。

2。传感器描述:设计和理论背景

孔米由孔板放置在一个管道中气体流动。气体流经限制由孔板产生压降( )之间的上游和下游的盘子。传感器的输出(即 )通常是衡量一个压差传感器连接到两个静态压力阀门放置上游和下游板(17]。

这些传感器的输入-输出关系是通过考虑伯努利方程有效: 在哪里 气体流速, 压力, 参考线的高度尊重, 重力加速度, 流体密度。方程(1)是有效的简化假设下一维流动和不可压缩、非粘性的,等温流体条件。

的 生成之间的上游和下游的流阻塞,根据伯努利方程,使体积流率的估计 在哪里 体积流率, 流量计的入口区域, 是通过流阻塞。

孔板流量计的输入-输出关系可以很容易地通过(2),它是一个根平方函数 。响应的非线性是最重要的限制之一,这些类型的传感器,它是克服VOMs的发展。

VOM测试在这个工作是" SpiroQuant P "流量传感器由EnviteC(霍尼韦尔)数据1(一)-1(e)。


图1
(模拟)的限制区域可变孔板流量计:(a)和(d)的限制区域的增量与体积流量。孔板流量计(e)的变量和关键部件。

它由一个皮瓣放置内联管道气体流动的地方。天然气流经限制由皮瓣生成 之间的上游和下游部分叶片,代表传感器的输出。变量的几何对称的孔板流量计允许双向流量测量。

皮瓣,减少中间并放置到气体流,创建一个开放的扩大 增加:流量越大,越大通道阻塞区域的流体流动,反之亦然(数字1(一)-1(d))。的增加 与 需要报告的输入-输出关系的线性化(2)。

3所示。实验装置和结果

实验进行了评估上述VOM三重目的:(i)获得两个名义上相同的流量计的校准曲线,调查他们的计量静态属性,(2)评估动态测试过程中,沉降时间和(iii)研究湿度对流量计输出的影响。

3.1。静态校准

两个名义上相同的变量的静态校准孔米进行了评估传感器的灵敏度,对称的反应,和传感器的重现性。

VOM(图2(一))是通过管道连接到一个气流控制器(f - 201 - c -流化床燃烧器22 v Bronkhorst高科技,人物2(b))。差压传感器(163 pc01d75霍尼韦尔,测量范围±623 Pa,精度±0.15%的全尺寸输出,数字2(e))被连接到两个静态阀门,压力测量 在可变孔。压力传感器是由恒压为5.00±0.01 V的直流电源(GW Instek gps - 3030,图2(d))。压力传感器的输出电压是显示在数字示波器(DL1520横河,图2(c))。


图2
实验装置用于执行静态校准:(a)可变孔板流量计,(b)空气流量控制器,(c)数字示波器、直流电源(d), (e)差压传感器。

两个名义上相同的VOMs (EnviteC SpiroQuant P,霍尼韦尔)校准使用的设置如图2。

六组实验进行每个流量计,通过交付常数和干燥的气流从−10 L·分钟−1+ 10 L·分钟−1在步骤0.5 L·分钟−1。每5分钟气体温度流量计输出部分被K型热电偶监控。气体温度范围在26.0±2.0°C组在整个的实验。

输入-输出关系(例如, 与 两个VOMs)数据所示3(一个)和3 (b)。所有的结果报告为±意味着不确定性;计算的不确定性考虑学生参考分布5自由度和95%的置信水平(推荐(18])。之间的关系 和 研究了通过使用一个线性回归分析。传感器的灵敏度估计作为最佳拟合直线的斜率(例如, 和 两个测试VOMs)。为每个校准曲线的系数的决心 计算了。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
(a)和(b)实验数据(点)和最佳拟合线VOMs(连续线)的两个测试。为每个传感器和校准曲线的方程 价值也报道。

图3显示传感器的校准曲线线性模型描述。良好的线性拟合是高价值的确认 (0.99为两个传感器)。因此,应该考虑灵敏度常数在整个范围的标定(即。,±10 L·分钟−1)和等于5.306 Pa / L·分钟−1和5.232 Pa / L·分钟−1两个VOMs。

此外,传感器的线性度是保持在更大范围的测量。事实上,为了调查这个功能我们试验的进行提供气流从−20 L·分钟−1+ 20 L·敏−1,在步骤2 L·分钟−1;良好的线性拟合高价值的确认 (即。,0.99) obtained by fitting the data with a linear model.

两个传感器之间的良好重现性都见证了区别他们的敏感性较低(< 1.4%)和低价值的根均方误差(即。1.50 Pa)计算 在哪里 的压降是吗 th第一测试传感器和流量 的压降是吗 th第二传感器测试流量。 流量的数量是用来校准传感器(在我们的例子中 )。

此外,为了分析性能的传感器的双向性、气体流动是两个相反的方向来模拟吸气和呼气流。双向性的定量评估是使用以下的不对称指数 ,提出了19]: 在哪里 的压降是吗 th过期的方向和流量值 的压降是吗 th吹流量值相反的方向; 流量值的数量是用来校准每个方向传感器(在我们的例子中 )。不对称指数, 范围从0到1的定义:它的值是越低,传感器响应的对称性越好。的 值分别为0.14和0.18的两个传感器测试下。

3.2。阶跃响应

流量计的动态响应被设置一个专门的调查。

VOM是连接到一个开/关阀(821 - 2/2nc系列,矩阵)和开关时间很短(即。,0.45打开女士和0.19 ms)已经在先前的研究[16,19,20.]。流量的步骤是由连接阀密封源并迅速打开或关闭阀的孔。阀门是由函数发生器控制(由索尼美国泰克AFG313)。压力降穿过孔被传导到由压差传感器电压(163 pc01d75霍尼韦尔,测量范围±623 Pa,精度±0.15%的满量程输出)。阀和压力传感器由一个直流电源(由ISO-TECH IPS2302A)。数据采集板(由国家仪器采集NI usb - 6009)连接到主机电脑记录了压力传感器的输出电压。一个定制的虚拟仪器VI实施记录信号采集1千赫采样频率。在MATLAB环境中所有记录数据位。

流量计测试下的阶跃响应是由两个贡献:VOM相关贡献,转导 成 贡献与压力传感器,它能传感 电压输出信号。

传感器动态响应显示振荡稳定状态(图4)。沉降时间(ST),定义为流程输出所需的时间达到并保持在一个乐队的宽度等于±5%的总变化,评估(见图4)。


图4
流量计的阶跃响应:趋势压力传感器的输出流量一步时交付;稳定时间的估计也会显示。

电压总变化 被计算为 在哪里 和 压力传感器的输出电压在一步即时稳定状态,分别。实验评估传感器的阶跃响应是重复七次(表1)。圣值计算的不确定性意味着±66±5女士。

表1
传感器的沉降时间估计在7个试验。
3.3。凝结对传感器输出的影响

气体流速水蒸气含量高的相对湿度(100%)交付调查湿度的影响在响应生效。这个问题是相关领域的人工通气和呼吸监测。机械通风气流送到病人湿润由特定设备(例如,加热丝增湿器)。在增湿器的输出,气流具有较高的相对湿度(在许多情况下饱和)21,22];空气也过期的患者具有较高的相对湿度,在很多情况下它是饱和。因此它是非常重要的知道水蒸气凝结的影响流量计的性能在长久的通风。内水蒸气的冷凝VOM的限制可能导致不可预知的变化引起的测量误差的气动阻力。这种现象会导致很大的测量误差,当Fleisch pneumotachographs受聘(23]。因此,改变VOM响应及其精度持久的审判期间实验评估。图5显示了实验装置用来调查相对湿度对传感器输出的影响。


图5
设置用于冷凝影响评估:空气流量控制器,(b)加热丝加湿器,(c)差压传感器,(d)直流电源,(e)采集,(f)主机PC和孔板流量计(g)变量。

一个空气流量控制器(f - 201 - c -流化床燃烧器22 v Bronkhorst高科技,人物5(一)连接到加热丝加湿器(MR850 Fisher & Paykel医疗、数字5(b))通过肢体的呼吸电路。第二个肢体呼吸电路连接的加湿器(图生效5(g))。VOM的输出是由压差传感器监测(163年由霍尼韦尔pc01d75,测量范围±623 Pa,精度±0.15%的全尺寸输出,数字5(c))提供一个直流电源(GW Instek gps - 3030,图5(d))。压力传感器的输出电压是由数据采集记录委员会(由国家仪器采集NI usb - 6009,图5(e)连接到一个主机PC(图5(f))。加湿器将获得以下气体thermohygrometric条件:气体温度40±1°C和饱和度。

(即长久的实验。,4hours) were carried out by delivering two constant volumetric flowrates (i.e., 8 L·min−1和4 L·分钟−1)。在每个试验中,压力传感器的输出获得样本10赫兹的频率和输出计算(图生效6(a))。为了调查如果凝结引起传感器灵敏度的变化,四个小时的审判是分成24间隔(每间隔持续10分钟)和传感器的输出的平均值计算每个时间间隔(数字6(b)和6(d))。此外,为了分析冷凝影响传感器的精度,传感器响应的标准偏差计算每个时间间隔(数字6(c)和6(e))。


图6
(一)传感器输出在4小时的审判8 L⋅分钟−1;(b)的意思是传感器的输出值为每个间隔8 L⋅分钟−1;(c)标准差传感器输出为每个间隔8 L⋅分钟−1;(d)的意思是传感器的输出值为每间隔4 L⋅分钟−1;(e)标准差传感器输出为每个间隔4 L⋅分钟−1;(f)的传感器的最后4小时的审判。凝结在传感器的形成是显而易见的。

持久试验期间执行两个流量,蒸汽冷凝物内的传感器(图6(f)),但传感器灵敏度不经历重大的改变:传感器响应的平均值几乎是常数的24间隔,如图6(b)和6(d)。标准偏差显示在时间(数据略有增加6(c)和6(e));例如,4 L·分钟执行的试验−1显示标准差0.66 Pa在第一个区间(前10分钟的试验)和0.69 Pa在最后时间间隔(实验的最后10分钟)。这表明一个轻微的精度的恶化,但必须指出的是,考虑到传感器的校准曲线(图3)增加标准差0.03 Pa对应6毫升·最小的一种变体−1这可以被认为是可接受的在机械通气和呼吸监测中的应用。

总结,结果表明,凝结的形成造成传感器灵敏度的变化可以忽略不计;传感器的精度经历略有恶化。

4所示。讨论和结论

机械通气和呼吸监测是非常重要的实践机械协助患者或执行必要的诊断。在人工通气和呼吸功能监测流量计的使用是需要执行的准确和连续监测气体交换。它们的输出是用来估计分钟通气量和潮汐卷;因此其准确性是至关重要的执行正确的诊断,避免常见的副作用有关未修正的通风(24]。通过流量计可以监测气体交换的卷的病人。

因为必须履行严格的标准(即。,high sensitivity, good accuracy, bidirectionality, low pneumatic resistance, low volumes added to breathing circuit, short response, and large range of flat frequency response) only few kinds of flowmeters are used in these fields. The most employed flowmeters are hot wire anemometers, fixed and variable orifice meters, Fleisch pneumotachographs, and ultrasonic flowmeters [7]。

一些研究集中在热丝风速计的表演,固定孔米,Fleisch pneumotachographs,和超声波流量计和在他们的应用程序在呼吸监测领域(16,25- - - - - -28]。

虽然第一个专利VOM可追溯到1970年代,几个呼吸机配有这种传感器,研究关于其计量属性和水冷凝缺乏的问题。

目前的工作主要集中在静态和动态特征的调查也凝结影响商业VOM的输出。

实验结果表明,这种传感器的响应是线性的;因此它有一个恒定的敏感性和它显示了良好的双向性在一个广泛的流量(±10 L·敏−1);通过比较两个名义上的表现相同的传感器,他们的反应显示了良好的再现性(他们的敏感性是1.4%)之间的区别。此外,测试VOM显示安静好动态属性:结算时间为66±5 ms。这个值高于其他differential-producing流量计;例如,研究表明,Fleisch pneumotachograph和孔板流量计响应时间略高于2女士[16,19]。最后,长久的实验表明,传感器的灵敏度并没有改变,和它的精度显示非常低的恶化,尽管蒸汽冷凝的形成。

传感器测试下呼吸功能监测提出了许多优点:低死腔(7毫升),良好的灵敏度和歧视低阈值(< 0.5 L·分钟−1)、安静良好的阶跃响应和良好的双向性,及其性能没有显著恶化凝结。因此,与其他解决方案相比,VOMs展示一些优点:对固定孔米,他们有一个线性响应;他们更健壮和低于热丝风速计(29日];而且他们不容易灵敏度变化由于凝结,不同于Fleisch pneumotachographs需要特别的解决方案来减少这个问题,如电阻的使用。这些特性使得可靠的测量以及其它医疗应用程序生效。例如,这种传感器可以使用领域的无创心输出量估计方法(3在应用程序相关的人类肠道气体的监控(30.)和其他工业过程特别是当双向必须测量空气流量。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

朱塞佩Tardi和卡洛Massaroni同样导致了这项工作。