彭鐵成 肖瑞柳 封志純 吳本清

1 深圳市科曼醫(yī)療設(shè)備有限公司 （廣東 深圳 518050）

2 中國(guó)人民解放軍陸軍總醫(yī)院 （北京 100000）

3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)深圳醫(yī)院新生兒科 （廣東 深圳 518100）

內(nèi)容提要： 通過(guò)流體力學(xué)理論對(duì)氣路系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，采用流體計(jì)算分析軟件對(duì)T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)氣路進(jìn)行模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

關(guān) 鍵 字： T-組合 復(fù)蘇 PEEP 流體力學(xué)

T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)（BQ70）是一種復(fù)蘇搶救設(shè)備，模擬人工呼吸，使呼吸困難或停滯的新生兒的肺泡張開和收縮，助其恢復(fù)呼吸，從而達(dá)到復(fù)蘇搶救的目的。能提供21%～100%氧濃度的混合氣體，0～15L/min復(fù)蘇流量及氧療流量，提供恒定的吸氣峰壓（PIP）、呼末正壓（PEEP），可以維持功能殘氣量并防止肺部塌陷，滿足足月兒和早產(chǎn)兒復(fù)蘇時(shí)正壓通氣的需要。

T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)（BQ70）是由氣流控制、壓力限制的純氣動(dòng)機(jī)械設(shè)備。氣體由T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)的復(fù)蘇流量出氣口經(jīng)過(guò)管路附件輸送到新生兒患者端，與面罩相連。操作者用拇指封堵或松開管路附件中PEEP閥的開口，控制呼吸頻率及吸氣時(shí)間，通過(guò)一定的壓力使新生兒的肺泡打開，讓復(fù)蘇氣體直接進(jìn)入新生兒氣道。PEEP壓力分為低水平（≤5cmH2O）、中水平（6～15cmH2O）、高水平（≥15cmH2O），不同壓力的PEEP有著不同治療作用，為了對(duì)患者進(jìn)行更好的治療操作，選擇一個(gè)合適大小的PEEP至關(guān)重要。所以壓力檢測(cè)器中顯示的壓力值需跟PEEP閥患者端的實(shí)際壓力值保持一致。

在T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)提供一個(gè)壓力檢測(cè)器，以監(jiān)測(cè)氣路中的壓力。在進(jìn)行復(fù)蘇操作之前，需對(duì)復(fù)蘇流量、PIP、PEEP進(jìn)行預(yù)設(shè)。根據(jù)《中國(guó)新生兒復(fù)蘇指南》指導(dǎo)，推薦預(yù)先設(shè)定的吸氣峰壓為20～25cmH2O，呼氣末正壓為5cmH2O。用拇指封堵PEEP閥的開口，壓力檢測(cè)器顯示為PIP；松開PEEP閥開口，調(diào)節(jié)PEEP閥螺帽，觀察壓力檢測(cè)器中的數(shù)值，顯示為PEEP。實(shí)際操作中，如果在PEEP閥的患者端進(jìn)行壓力采樣，不僅占用操作時(shí)間，也與“搶救黃金一分鐘”原則相沖突。為了解決這個(gè)問(wèn)題，已在T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)內(nèi)部接好壓力采樣管路，省去搶救時(shí)多余的壓力檢測(cè)步驟，節(jié)省了寶貴的搶救時(shí)間。

1.問(wèn)題點(diǎn)

研發(fā)過(guò)程中對(duì)T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。PEEP閥的患者端接VT Plus HF檢測(cè)壓力。在設(shè)定參數(shù)過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，封堵PEEP閥的開口，壓力檢測(cè)器顯示的壓力值與VT Plus HF檢測(cè)到的壓力值相同；松開PEEP閥的開口，調(diào)節(jié)PEEP閥的螺帽，觀察到壓力檢測(cè)器中的數(shù)值與VT Plus HF檢測(cè)到的壓力值不同且相差較大。根據(jù)壓力檢測(cè)器采樣到的壓力值與VT Plus HF檢測(cè)到的壓力值的差異進(jìn)行分析。

2.分析與測(cè)試

在T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)與附件組成的氣路系統(tǒng)中，內(nèi)部管路用的是軟管，附件波紋管管徑大于內(nèi)部軟管。從安全閥出氣端用三通分別接壓力檢測(cè)器和復(fù)蘇流量接頭，壓力檢測(cè)器采樣軟管與氣流主管道非垂直，復(fù)蘇流量接頭連接管路附件和PEEP閥。安全閥到復(fù)蘇流量接頭段的軟管是彎曲的。氣路系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

2.1 理論分析

根據(jù)氣體流動(dòng)規(guī)律的基本運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)性方程和能量方程。

理想氣體定常絕熱的流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，氣體在管道中做定常流動(dòng)時(shí)，流過(guò)每一個(gè)橫截面的質(zhì)量流量相等。

對(duì)運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程進(jìn)行積分處理得出的能量方程，就是壓縮氣體的伯努利方程：

k為絕對(duì)系數(shù)

p1p2為兩截流面上的壓力

v1v2為兩截流面上的平均速度

ρ1ρ2為兩截流面上的密度

靜壓是流體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的垂直流體運(yùn)動(dòng)方向的壓力，不受流速影響而測(cè)量到的表壓力值。壓力表測(cè)量到的是管道中的靜壓。

圖1. 氣路系統(tǒng)圖

圖2. 氣路系統(tǒng)中總壓云圖

圖3. 軟管彎曲處總壓云圖

流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，在正對(duì)流體運(yùn)動(dòng)方向的表面，流體完全受阻，流體的速度為零，其動(dòng)能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽瑢?duì)于靜止?fàn)顟B(tài)下的流體，只有靜壓強(qiáng)。

結(jié)合氣體流動(dòng)規(guī)律公式和氣路系統(tǒng)分析可以看出，壓力檢測(cè)器采樣管與主氣流管路非垂直，采樣到的壓力不是垂直于氣體流動(dòng)方向的壓力，所以壓力檢測(cè)器中測(cè)量到的不僅僅是靜壓還有一部分動(dòng)壓。

2.2 計(jì)算流體分析

用三維建模軟件對(duì)氣路系統(tǒng)中的流體進(jìn)行建模，包括T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)內(nèi)部軟管、附件管路附件和PEEP閥。復(fù)蘇流量接頭內(nèi)部是流體通徑變化的地方。根據(jù)管道在T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)的實(shí)際情況，三維流體模型當(dāng)中體現(xiàn)了管道彎曲的工況。

對(duì)三維建模軟件繪制的流體模型進(jìn)行流體分析前處理的網(wǎng)格劃分，將軟管進(jìn)氣口設(shè)置為入口邊界，PEEP閥的開口設(shè)置為出口邊界，其余設(shè)置為壁面邊界。

在計(jì)算流體分析軟件中打開分析前處理的網(wǎng)格文件，對(duì)部分管路和附件組成的氣路系統(tǒng)進(jìn)行流體分析。為了模擬T組合工作時(shí)條件，將流體介質(zhì)設(shè)置成壓縮空氣，選取合適的湍流模型，流場(chǎng)入口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量入口；PEEP閥開口對(duì)空，出口邊界設(shè)置為壓力出口。經(jīng)過(guò)計(jì)算流體軟件計(jì)算后保存數(shù)據(jù)文件。

圖4. 氣路系統(tǒng)中靜壓分布云圖

圖5. 氣路系統(tǒng)中局部靜壓分布云圖

對(duì)流體分析后的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理后，得到整個(gè)氣路流體的壓力和流速分布云圖?？梢杂^察壓力在各處的變化。

表1. 測(cè)試數(shù)據(jù)(cmH2O)

從圖2圖3得知，整個(gè)氣路的總壓在逐漸減小，特別是氣流通過(guò)軟管彎曲段壓力損失特別明顯，輕微彎曲部分壓力損失則不太明顯。從流體分析得出，軟管彎曲程度越厲害對(duì)壓力的影響越大，損失的壓力也越大。

從圖4的靜壓分布云圖可觀察得知，管內(nèi)的靜壓也是變化的。在軟管段的靜壓比波紋管段和PEEP閥處的靜壓要大，彎曲的軟管段壓力變化較明顯，越靠近入口處?kù)o壓值越大。從軟管與波紋管轉(zhuǎn)接處到PEEP閥段的靜壓值趨于穩(wěn)定。氣路系統(tǒng)中局部靜壓分布云圖見(jiàn)圖5。

結(jié)合對(duì)氣體流動(dòng)方程和計(jì)算流體分析的結(jié)果來(lái)看：①壓力檢測(cè)器采樣管與氣流主管道是否垂直將影響采樣數(shù)值的準(zhǔn)確性；②不同采樣位置測(cè)量到的壓力值有差異，特別是在T組合內(nèi)部軟管彎曲段前端采樣到的靜壓值比在波紋管和PEEP閥患者端的靜壓值要大。

2.3 測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)上述結(jié)合了氣體流動(dòng)方程和流體分析得出的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)如下測(cè)試方案。

測(cè)試方法：在T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)內(nèi)部軟管和附件組成的管路上分別取5個(gè)壓力采樣點(diǎn)，分別是靠近安全閥出口處的A采樣點(diǎn)，靠近復(fù)蘇流量接頭入口的B采樣點(diǎn)，靠近復(fù)蘇流量接頭出口的C采樣點(diǎn)，PEEP閥進(jìn)氣端的D采樣點(diǎn)，PEEP閥患者端的E采樣點(diǎn)。VT Plus HF在壓力采樣點(diǎn)E測(cè)量壓力。將壓力檢測(cè)器的采樣軟管更換不同采樣角度分別接入A、B、C、D四個(gè)采樣點(diǎn)，讀取記錄壓力檢測(cè)器和VT Plus HF測(cè)量顯示的數(shù)值。

測(cè)試步驟：①T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)接上壓縮氣源，連接附件，將VT Plus HF接入采樣點(diǎn)E；②將壓力檢測(cè)器用采樣軟管與主氣流軟管成夾角的方式接入采樣點(diǎn)A；③將PIP設(shè)置成30cmH2O，封堵PEEP閥的開口，觀察VT Plus HF和壓力檢測(cè)器中的數(shù)值并記錄下來(lái)；④調(diào)節(jié)PEEP閥螺帽，將VT Plus HF中的數(shù)值分別調(diào)至20cmH2O、15cmH2O、10cmH2O、5cmH2O的接近值，同時(shí)記錄下壓力檢測(cè)器中的數(shù)值；⑤將壓力檢測(cè)器采樣管改成垂直于主氣流軟管接入方式，重復(fù)進(jìn)行②③④操作；⑥更換采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，重復(fù)②③④⑤操作。

在進(jìn)行PIP數(shù)值測(cè)試時(shí)，不管壓力檢測(cè)器在哪個(gè)取樣點(diǎn)測(cè)得的實(shí)際壓力值都與VT Plus HF測(cè)得的壓力值相等。由于壓力檢測(cè)器存在讀數(shù)誤差，壓力檢測(cè)器數(shù)值讀數(shù)與VT Plus HF測(cè)得的壓力值存在偏差。由上表數(shù)據(jù)可得壓力檢測(cè)器讀數(shù)偏差范圍為0.009～0.014。所以，在測(cè)試PEEP時(shí)，如果得到的讀數(shù)偏差≤0.014，即可視為壓力檢測(cè)器讀數(shù)與實(shí)際壓力值一致。

從表格中測(cè)得的A采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)得知，壓力檢測(cè)器采樣軟管與主氣流管道成夾角的采樣方式測(cè)得的壓力范圍偏差為0.148～1.594；垂直采樣方式的偏差范圍為0.105～1.213。在A點(diǎn)垂直采樣方式比夾角采樣偏差范圍要小。但兩種方式的偏差都＞0.014，壓力檢測(cè)器顯示的壓力讀數(shù)都不合格。

從表格中測(cè)得的B采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)得知，壓力檢測(cè)器采樣軟管與主氣流管道成夾角的采樣方式測(cè)得的壓力范圍偏差為0.098～1.007；垂直采樣方式的偏差范圍為0.006～0.013。在B點(diǎn)垂直采樣方式比夾角采樣偏差范圍要小。夾角采樣方式的偏差＞0.014為不合格，垂直采樣方式的偏差范圍＜0.014，壓力檢測(cè)器顯示的壓力讀數(shù)合格。

從表格中測(cè)得的C、D采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)得知，壓力檢測(cè)器中測(cè)得的壓力值偏差范圍分別為0.001～0.014、0.001～0.013，都＜0.014，在這兩個(gè)點(diǎn)壓力檢測(cè)器顯示的壓力讀數(shù)都是合格的。

綜合比較A、B兩個(gè)采樣點(diǎn)，可得知在相同位置時(shí)，垂直采樣方式的偏差范圍比夾角采樣方式要小。用相同采樣方式對(duì)比下，B點(diǎn)壓力檢測(cè)器讀數(shù)偏差比A點(diǎn)小。從而可以看出采樣方式和位置都是影響壓力檢測(cè)器讀數(shù)的重要因素。

3.結(jié)論

從2.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)中得出的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，證明氣體流動(dòng)方程和計(jì)算流體分析的推論為正確，而壓力檢測(cè)器不同的采樣方式和位置均會(huì)影響PEEP值的準(zhǔn)確性。

為了節(jié)約復(fù)蘇搶救時(shí)間，以及提高操作的方便性，T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)（BQ70）在內(nèi)部進(jìn)行壓力采樣。為了使壓力檢測(cè)器顯示的壓力值更接近患者端的PEEP，T-組合嬰兒復(fù)蘇系統(tǒng)（BQ70）在B采樣點(diǎn)用垂直主氣流管道的方式進(jìn)行壓力采樣，壓力檢測(cè)器中的壓力讀數(shù)偏差范圍為0.006～0.013，小于壓力檢測(cè)器允許的讀數(shù)偏差為0.014，完全滿足要求。