定 翔, 馬雪然, 張 楊, 李文華, 周 鳳

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029； 2.安徽養(yǎng)和醫(yī)療器械設(shè)備有限公司，安徽 安慶 231400)

1 引 言

麻醉機(jī)通過氣體輸送系統(tǒng)將麻醉氣體輸送至患者肺部從而達(dá)到術(shù)中全身麻醉的效果。麻醉氣體濃度的準(zhǔn)確性直接關(guān)系病人生命安全。紅外吸收光譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于氣體濃度檢測[1～3],也應(yīng)用于臨床麻醉氣體濃度監(jiān)測[4～7],如七氟醚、地氟醚、異氟醚、安氟醚、氟烷等。麻醉氣體檢測儀的校準(zhǔn)和溯源依賴于使用標(biāo)準(zhǔn)氣體[8,9]。但是,此類鹵化物麻醉氣體存在飽和蒸氣壓低和化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定[10]等問題,導(dǎo)致配制標(biāo)準(zhǔn)麻醉氣體的技術(shù)難度較大。原材料價格昂貴、配氣過程費時費力等因素也進(jìn)一步限制了標(biāo)準(zhǔn)氣體的應(yīng)用。目前,臨床在用麻醉機(jī)的計量和質(zhì)控主要只針對其通氣參數(shù),而麻醉氣體濃度參數(shù)則一直缺少可溯源的檢測方法,存在安全隱患。

針對紅外吸收光譜技術(shù)測量麻醉氣體濃度的技術(shù)特點,提出了一種光學(xué)等效模擬方法,利用紅外濾光片模擬麻醉氣體對紅外光的吸收,濾光片的不同透過率對應(yīng)麻醉氣體的不同濃度,從而替代標(biāo)準(zhǔn)麻醉氣體,對麻醉氣體檢測儀進(jìn)行校準(zhǔn),實現(xiàn)對麻醉氣體濃度的校準(zhǔn)和溯源,解決臨床在用麻醉機(jī)的關(guān)鍵計量問題。以臨床常用的七氟醚為例,其常用濃度范圍為0.5%～8%。針對七氟醚的臨床測量需求,搭建了一套基于紅外吸收光譜技術(shù)的麻醉氣體濃度檢測裝置,制備了一組不同濃度的七氟醚氣體,建立了七氟醚的吸光度和濃度關(guān)系曲線。制作了一組不同透過率的紅外濾光片,通過實驗測量了濾光片的等效濃度范圍和重復(fù)性,并研究了環(huán)境溫度變化對等效濃度的影響,驗證了用紅外濾光片模擬標(biāo)準(zhǔn)麻醉氣體的可行性。

2 原理與方法

紅外吸收光譜技術(shù)測量氣體濃度的原理是基于朗伯-比爾定律:

A=lg(1/T)=kbc

(1)

式:A為吸光度;T為透過率;k為被測氣體的吸收系數(shù);b為光在被測氣體中的光程;c為被測氣體的物質(zhì)的量濃度。臨床中麻醉氣體的濃度一般用體積分?jǐn)?shù)表示,因此本文中的氣體濃度均為體積分?jǐn)?shù),%。

圖1是基于紅外吸收光譜技術(shù)的氣體濃度測量與校準(zhǔn)原理示意圖。在測量狀態(tài)下,光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過氣室被氣體部分吸收后被探測器接收。理想情況下,測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)固定后,探測器測到的光強(qiáng)變化只與被測氣體的濃度有關(guān)。在校準(zhǔn)狀態(tài)下,將濾光片置入測量光譜,用來模擬麻醉氣體對紅外光的吸收。

圖1 麻醉氣體濃度測量與校準(zhǔn)原理Fig.1 Principle of gas concentration measurement and calibration

臨床常用的七氟醚、地氟醚等鹵化物麻醉氣體的主要紅外吸收峰的波長都在7～14 μm范圍內(nèi)[11,12]。麻醉機(jī)輸出麻醉氣體的載氣一般為氧氣或空氣,其主要成分在此波段范圍內(nèi)無吸收峰。因此,在測量單組分麻醉氣體的情況下,可以利用紅外濾光片模擬麻醉氣體對紅外光的吸收,不同的透過率對應(yīng)不同的氣體濃度。在未通入麻醉氣體的情況下,可將濾光片置于圖1所示位置。濾光片透過一定比例的紅外光,可模擬標(biāo)準(zhǔn)麻醉氣體對紅外光的吸收。鍺的紅外透射波段為1.8～23 μm[12],常用于制作紅外窗口和濾光片。通過在鍺片表面鍍增透或增反膜,可以改變?yōu)V光片的整體透過率,從而實現(xiàn)對不同氣體濃度的模擬。

3 實驗與結(jié)果

3.1 麻醉氣體濃度與吸光度的關(guān)系

基于圖1所示原理搭建了麻醉氣體檢測系統(tǒng)。以氮氣為載氣配制了體積分?jǐn)?shù)為0%(純氮氣)、0.23%、0.94%、2.71%、4.41%、6.41%和8.50%的標(biāo)準(zhǔn)七氟醚氣體。用麻醉氣體檢測系統(tǒng)檢測七氟醚氣體的吸光度。對氣體濃度c與吸光度A的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次多項式擬合,測量結(jié)果和擬合曲線如圖2所示。擬合方程為:

圖2 七氟醚的吸光度與濃度關(guān)系曲線Fig.2 Relationship of absorbance and concentration of sevoflurane

c=40.86·A3+9.73·A2+15.33·A

(2)

擬合R-square值為0.999 98。表1所示為七氟醚濃度的擬合結(jié)果,七氟醚濃度殘差不大于±0.03%,說明擬合方程可以較好地描述七氟醚濃度與吸光度之間的關(guān)系。根據(jù)朗伯-比爾定律,吸光度應(yīng)隨氣體濃度線性變化;但實際上,朗伯-比爾定律僅適用于低濃度氣體或溶液情況。從圖2可以看出,隨著被測氣體濃度的升高,兩者逐漸偏離線性關(guān)系。在實際應(yīng)用中,必須針對七氟醚、地氟醚等不同種類的麻醉氣體預(yù)先建立其吸光度與濃度關(guān)系曲線,再進(jìn)行測量。

表1 七氟醚濃度擬合殘差Tab.1 Fitting residuals of concentration of sevoflurane

3.2 紅外濾光片的等效氣體濃度

以鍺為基底制作了透過率為36%～95%的一組濾光片,利用麻醉氣體檢測系統(tǒng)測量其吸光度。根據(jù)公式(2)計算濾光片吸光度值對應(yīng)的七氟醚濃度值,結(jié)果如圖3所示。濾光片36%～95%的透過率范圍等效于七氟醚0.40%～8.40%的濃度范圍,可以滿足臨床麻醉機(jī)麻醉氣體濃度的檢測需求。

圖3 紅外濾光片的等效氣體濃度Fig.3 Equivalent gas concentration of infrared filters

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算,麻醉氣體檢測系統(tǒng)在測量體積分?jǐn)?shù)為0%～8.50%的七氟醚氣體時的濃度重復(fù)性誤差約為0.02%,測量紅外濾光片時的等效濃度重復(fù)性誤差也小于0.02%,說明由濾光片本身引入的重復(fù)性誤差可以忽略。

利用公式(1)將麻醉氣體檢測系統(tǒng)測得的濾光片吸光度值換算成實際透過率,與濾光片的名義透過率進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?系統(tǒng)測得的實際透過率明顯高于濾光片的名義透過率。導(dǎo)致該差異的原因可能是濾光片置入測量光路后,濾光片表面的反射光被氣室窗口再次反射穿過濾光片到達(dá)探測器,導(dǎo)致探測器測得的實際光強(qiáng)高于用名義透過率計算得到的光強(qiáng)。當(dāng)名義透過率接近0或100%時,多次反射效應(yīng)的影響較弱,實際透過率接近名義透過率值。當(dāng)名義透過率在40%～60%之間時,多次反射效應(yīng)的影響較為明顯,兩者差異較大。

圖4 紅外濾光片的實際透過率與名義透過率Fig.4 Measured absorbance and nominal absorbance of infrared filters

3.3 紅外濾光片的溫度效應(yīng)

鍺材料的透過率可能隨溫度變化[13～15]。為了研究溫度變化可能帶來的影響,將麻醉氣體檢測系統(tǒng)和濾光片置于恒溫箱中進(jìn)行實驗。麻醉機(jī)通常在手術(shù)室使用,而手術(shù)室環(huán)境溫度一般在18～26 ℃之間。設(shè)定環(huán)境溫度分別為17、20和30 ℃的情況下分別測量濾光片的等效濃度值,結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下紅外濾光片的等效氣體濃度Tab.2 Equivalent gas concentration of infrared filters at different temperatures (%)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中麻醉機(jī)的性能指標(biāo)要求[16,17],麻醉氣體檢測儀的測量誤差不大于±(0.1%+5%·c)(c為被測氣體體積分?jǐn)?shù))即可滿足需求。表2結(jié)果顯示,濾光片的等效濃度最大變化量不大于0.02%+1.5%·c,遠(yuǎn)小于麻醉氣體檢測儀的允許誤差范圍,說明溫度效應(yīng)對濾光片等效濃度測量結(jié)果的影響可以忽略。

3.4 實驗結(jié)果分析

通過實驗可以建立氣體濃度、吸光度和濾光片透過率之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明,紅外濾光片36%～95%的名義透過率范圍對應(yīng)七氟醚0.40%～8.40%的濃度范圍。通過降低濾光片的透過率還可進(jìn)一步提高其等效濃度。系統(tǒng)測量不同濃度七氟醚氣體的重復(fù)性約為0.02%,測量紅外濾光片等效濃度的重復(fù)性小于0.02%,證明濾光片本身不會引入額外的重復(fù)性誤差。環(huán)境溫度波動可能影響濾光片的透過率,進(jìn)而改變其等效濃度。

實驗結(jié)果表明,在17～30 ℃范圍內(nèi),溫度效應(yīng)引起的濾光片等效濃度的最大變化量不大于0.02%+1.5%·c(c為被測氣體體積分?jǐn)?shù)),遠(yuǎn)小于對麻醉氣體檢測系統(tǒng)的允許誤差要求。

實驗結(jié)果表明,紅外濾光片可用于模擬不同濃度七氟醚氣體對紅外光的吸收。濾光片的重復(fù)性和溫度穩(wěn)定性均滿足要求。由于地氟醚、安氟醚、異氟醚、氟烷等鹵化物的紅外吸收特性與七氟醚相似且吸收峰位置接近,可以利用紅外濾光片模擬這類麻醉氣體對紅外光的吸收。只需預(yù)先建立每種麻醉氣體的濃度與濾光片吸光度之間的關(guān)系就可以實現(xiàn)對不同種類麻醉氣體的等效模擬。經(jīng)標(biāo)定后,濾光片可等效于標(biāo)準(zhǔn)麻醉氣體,用于開展麻醉氣體紅外吸收檢測設(shè)備的日常校準(zhǔn),能避免制備標(biāo)準(zhǔn)麻醉氣體的成本高昂、穩(wěn)定性差、費時費力等問題,在麻醉機(jī)計量和質(zhì)控領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文針對使用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)麻醉氣體檢測儀中存在的困難,提出了一種利用紅外濾光片等效模擬標(biāo)準(zhǔn)麻醉氣體的方法。搭建了麻醉氣體檢測系統(tǒng),制備了體積分?jǐn)?shù)為0.23%～8.50%的七氟醚氣體,建立了氣體濃度和吸光度關(guān)系曲線。設(shè)計和制作了透過率為36%～95%的一系列紅外濾光片,測得其等效氣體濃度范圍為0.40%～8.40%,并研究了多次反射效應(yīng)和溫度效應(yīng)對濾光片等效濃度的影響,驗證了該方法可行且具有良好的穩(wěn)定性。