麻醉机工作原理及麻醉气体浓度输出检测方法探讨

张曼华 高树森 张秋实 黄呈凤 张庆勇

麻醉呼吸机(简称麻醉机)是临床麻醉的重要设备，用于实施全身麻醉、供氧及进行辅助或控制呼吸。现代的麻醉机实际上是麻醉工作站的一部分[1]。麻醉工作站一般包括麻醉机、蒸发器、监护装置和报警装置。麻醉机是整个工作站的核心部分，是产生麻醉气体载体的源头。目前的麻醉机要求能准确释放所需浓度的麻醉蒸汽，同时要保证供氧充足，排出二氧化碳完全，呼吸阻力低，无效腔量小。由于麻醉机在临床上应用风险较高，在手术过程中监测患者的麻醉深度至关重要，可减少患者的痛苦[2]；同时，麻醉机的质量控制尚属临床医生和医学工程师关注和研究的课题[3-6]。

目前，麻醉机全面而成熟的质量控制在我国尚无开展，相应的质控标准尚无建立[7]。近年来，军队一直致力于建立较为完善的质量控制体系，但麻醉机的质量控制目前只局限于设备呼吸参数的检测，而且呼吸参数的检测仅局限于常规的机械通气模式。麻醉机的核心—蒸发器的质量控制即麻醉气体浓度输出的检测方法尚处于空白。本研究探讨未来麻醉气体浓度输出的检测方法、相关检测设备和检测标准。

1 麻醉机工作原理

麻醉机的主要结构包括：呼吸器、二氧化碳吸收装置、快速供氧装置和麻醉气体供给装置。高压氧气、笑气经气瓶或高压输气管进入麻醉机，经过压力调节(减压阀)，气体压力稳定在0.35～0.5 MPa之间并进入流量计；氧气压力需满足一定的阈值时笑气截断阀方能打开，使笑气进入笑气流量计。流量计上的流量控制阀用来调节氧气、笑气流量(氧笑联动装置，确保输出氧浓度＞25%)，使气体在流量计内混合后进入麻醉药液蒸发器，带走部分麻药蒸气，达到共同气体出口并输出给患者呼吸回路。快速供氧通路输出的氧气可直接输送到共同气体出口，实现麻醉患者的快速复苏。共同气体出口的混合气通过机控(由呼吸机控制)或手动有规律地按所设定通气量及呼吸方式输送给患者，控制患者呼吸(如图1所示)。

风箱是驱动气体进入患者回路的装置。风箱内部有两股气体，分别是共同气体出口流出的麻醉新鲜气体和驱动气体；两股气体相互隔离，驱动气在风箱外，而进入患者回路的新鲜气体在风箱内。吸气相驱动气进入风箱盒，盒内压力随之升高，挤压气囊使麻醉气体进入患者呼吸道；呼气相驱动气泄出风箱盒，风箱盒内压力降至大气压，患者呼出气先充盈风箱，然后部分泄入废气处理系统。患者回路承载着麻醉气体的输送，回路中包含呼气回路和吸气回路，两个回路内都有各自的单向阀，控制气体流动的方向。吸收器用来吸收呼出气体的二氧化碳(如图2所示)。

图2 患者回路示意图

2 蒸发器的原理及使用

蒸发器按照蒸发流量的调节方式可分为旁路可变型和实测流量型。旁路可变型蒸发器在蒸发开关打开时，流入蒸发器的气体分为两路，一路流入蒸发室带走麻醉药蒸气，另一路通过旁路，然后两股气流在下游汇合。在开关关闭时旁路机构将蒸发室的气体入口和出口关闭，气流全部通过旁路流出。正路和旁路均有调节阀，可控制分流比。典型的旁路可变型蒸发器包括有datex-0hmeda的Tec4、Tec5、Tec7以及Drager Vapor19.1和2000蒸发器。旁路可变型蒸发器也被称为容积百分比型、控制转盘调节型和Tee型蒸发器。通过手动转动浓度控制转盘调节输出浓度，其输出浓度由分流比确定，并用容积百分比表示。温度补偿装置自动改变分流比，以补偿温度的波动。对多数旁路可变型蒸发器而言，由于蒸发室内气体不完全混合，输出浓度随新鲜气流量增加而略微下降(如图3所示)。

图3 旁路可变型蒸发器实物及原理图

蒸发器的蒸发方式影响着麻醉气体输出的准确度。常见的蒸发方式有3种：拂过型、注射型及气泡型。载气流经过蒸发室时携走的麻醉药蒸汽量取决于麻醉药的蒸发效率和饱和蒸汽压。通常蒸发效率越高，蒸发室内饱和蒸汽压越高，则气相的麻醉药分子就越多，载气中含有的麻醉药浓度水平则越稳定。

3 影响蒸发器浓度输出的因素

影响蒸发器浓度输出的因素主要有环境大气压、载气成分、载气流量、载气/稀释气体分流比、温度以及麻醉药量。明确了上述影响因素有助于蒸发器质量控制方法的确定(见表1)。

关于各种因素对蒸发器输出的影响，学者通过实验进行定量的研究。Ambrisko和Klide等[9-10]利用氧气作为载气，定量评价了异氟醚和七氟醚蒸发器在不同载气流量下(0.02～10 L/min)的输出精度，实验证明，异氟醚蒸发器的输出值普遍偏高；七氟醚在0.02 L/min的载气流量下以及高载气流量和高浓度设定值的条件下输出精度降低，且不易受药物填充量的影响。戴捷等[11]利用三维模拟和数值计算方法，得到了稀释气体与麻醉药物混合过程中的浓度场变化规律，结果发现，提高稀释气体温度对有助于药物的蒸发以及与稀释气体的混合。Sezdi等[12]则研究了不同载气流量下，环境温湿度对蒸发器浓度输出的影响。定量的研究对麻醉机蒸发器的质量控制方法的建立起着重要的作用。

4 麻醉气体浓度输出的检测方法

4.1 检测仪器

对麻醉机的呼吸参数的检测，可采用与呼吸机相同的检测设备，检测仪的动态流量范围应满足(0.5～180) L/min，允差±3%以内，动态压力范围为-2～20 kPa，允差±0.1 kPa。目前，军队采用美国FLUKE公司的VT-PLUS型气流分析仪。此外，PF300型气流分析仪和ASL5000型主动模拟肺均可用于呼吸机、麻醉机的呼吸参数的检测。

目前，常用的麻醉气体浓度检测设备型号包括Andros的Model 4800麻醉气体分析仪和PF300(附带气体浓度分析模块)气体分析仪(如图4所示)。

表1 麻醉气体浓度输出的影响因素

图4 4800和PF300麻醉气体浓度分析仪

4800 气体分析仪可检测的气体包括CO2、N2O、三氟溴氯乙烷、异氟烷、安氟醚、七氟醚、地氟醚、氧气和乙醇气体。除CO2、N2O、O2和乙醇气体外，其他气体的浓度显示分辨率可达0.01%，三氟溴氯乙烷、异氟烷、安氟醚的最大检测浓度水平可达8%，地氟醚的最大检测浓度水平为23%。PF300的气体浓度检测传感器可以检测CO2、N2O、三氟溴氯乙烷、异氟烷、安氟醚、七氟醚、地氟醚气体，三氟溴氯乙烷、异氟烷、安氟醚的最大检测浓度水平为5%，准确度为读数的±8%或±0.15%(两者取最大值)，地氟醚的最大检测浓度为18%。目前，国内的工程技术人员应用PF300搭建麻醉气体蒸发器的测试工装，并探索其相应的检测方法[13]。

4.2 检测标准

麻醉气体输出浓度的性能指标，在国家医药行业标准“YY0320-2000麻醉机”中对蒸发器的输出气体浓度要求有所阐述；“ISO/DIS 8835-4吸入麻醉系统第四部分麻醉剂蒸汽传输装置”标准中附加条款51.101和51.102对麻醉气体输出浓度阐述了具体要求。

4.3 检测方法

根据国家标准“YY0320-2000麻醉机”和国际标准“ISO/DIS 8835-4吸入麻醉系统第四部分麻醉剂蒸汽传输装置”结合日常检测的实践经验，提出下述检测方法。

(1)检测环境。温度：(20±3) ℃；大气压：(101±1)kPa；温度应尽量保持恒定，无明显的气流扰动。大气压的值对蒸发罐的输出气体浓度有一定的影响，国家标准中对大气压的要求为101.3 kPa，实际检测尤其是外场检测很难保证精确达到某一大气压值；国际标准中对大气压没有做明确说明；两个标准对环境湿度均无具体要求[14-15]。

(2)将蒸发器和蒸发剂置于测试室中≥3 h。蒸发器可装在麻醉机上测试也可单独测试。

(3)将麻醉药注入蒸发器至最低刻度线，再多注10 ml，过45 min后测试。如果有的蒸发器需要供电预热，则要按照设备厂家的要求通电预热。不同的蒸发器装载不同的麻醉药液，常用数种麻醉药液及其颜色标记见表2。

表2 麻醉药液全称及其颜色标记

(4)检测仪与被测设备的连接。气体分析仪应在麻醉机的共同气体出口或蒸发器的出口测试或采样。连接图如图5所示。

图5 麻醉浓度检测连接示意图

4.4 检测项目

(1)零位检测。将通过蒸发器的流量设置为(1±0.1)L/min，通气1 min后测定输出气体浓度。其输出浓度应≤0.1%。

(2)零位以上的浓度值检测。将蒸发器设定为零位以上的最小浓度值，测试其输出的浓度值；在最小浓度值和最大浓度值之间选取数个浓度点进行检测，浓度误差应≤±20%或最大刻度的±5%(两者取最大值)。

(3)最大浓度值检测。将蒸发器设定为最大浓度量程值，测试其输出的浓度值，浓度误差应≤±20%或最大刻度的±5%(两者取最大值)。

(4)5 L/min流量下的浓度检测。将通过蒸发器的流量设置为(5±0.5) L/min，通气1 min后按照上述方法分别对数个浓度点进行测定。

5 结语

麻醉呼吸机作为医院重要的外科手术设备使用频率高，临床风险高。该设备的使用维护和质量控制是临床护理人员和医学工程人员的重要职责。本研究还将对麻醉机蒸发器的质量控制方法做进一步的研究和探索，致力于能够早日制定相应标准和检定规程，提高医院医疗质量，降低医疗风险。

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