醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測(cè)儀器麻醉設(shè)備學(xué)

2第八章醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測(cè)①醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測(cè)的重要性：麻醉實(shí)踐中醫(yī)用氣體管理技術(shù)占有的成分越來越重，氣體管理設(shè)備的故障會(huì)引起嚴(yán)重的麻醉事故。②與麻醉相關(guān)的氣體有生理氣體和麻醉氣體兩類。生理氣體主要包括氧氣、二氧化碳；麻醉氣體包括氣體麻醉劑（如氧化亞氮）和各種揮發(fā)性吸入麻醉藥蒸汽（如氟烷、恩氟烷、異氟烷、七氟烷、地氟烷等）③醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測(cè)是采集含有患者生理信息和醫(yī)學(xué)信息的氣體，通過儀器分析有關(guān)氣體含量，指導(dǎo)醫(yī)學(xué)干預(yù)的檢測(cè)技術(shù)。第2頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天3第八章醫(yī)學(xué)氣體監(jiān)測(cè)與麻醉相關(guān)的氣體生理氣體氧氣二氧化碳麻醉氣體氣體麻醉劑如氧化亞氮液體麻醉劑蒸氣氟烷 恩氟烷異氟烷 七氟烷地氟烷 等第3頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天4第一節(jié)檢測(cè)氣體的采集呼吸氣體的采集方法：1.主流式：檢測(cè)傳感器位于患者氣道出口處，直接測(cè)量通過的呼吸氣流。氣體監(jiān)測(cè)儀麻醉回路傳感器傳輸電纜第4頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天5第一節(jié)檢測(cè)氣體的采集2.旁流式：檢測(cè)傳感器位于氣體監(jiān)測(cè)儀內(nèi)，在患者氣道出口處外接采氣三通管，采氣泵持續(xù)采集患者的呼吸氣體送入監(jiān)測(cè)儀完成檢測(cè)。氣體監(jiān)測(cè)儀麻醉回路采集氣體三通管采氣管第5頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天6第一節(jié)檢測(cè)氣體的采集3.截流式：在旁流式采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，于呼氣末阻斷麻醉回路與患者的聯(lián)系，采集患者肺泡氣體完成檢測(cè)。氣體監(jiān)測(cè)儀麻醉回路采集氣體三通管采氣管第6頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天7第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介目前常見醫(yī)用氣體監(jiān)測(cè)儀主要采用電化學(xué)、紅外線、順磁三種氣體檢測(cè)技術(shù)。一、電化學(xué)分析技術(shù)氧化還原反應(yīng)存在首電子傳遞過程，其電量變化與參加反應(yīng)的氧氣含量成比例，可據(jù)此原理分析混合氣體中的氧氣濃度。燃料電池

燃料電池是把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能"儲(chǔ)電"而是一個(gè)"發(fā)電廠"。第7頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天8第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介為了利用煤或者石油來發(fā)電，必須先燃燒它們。燃燒時(shí)產(chǎn)生的能量可以對(duì)水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。換句話說，火力發(fā)電是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后把熱能轉(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過程中，許多原來的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費(fèi)，也不妨礙大量使用。還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而無需先轉(zhuǎn)換為熱能，這就是干電池。干電池由一種或多種化學(xué)溶液組成，其中插入兩根電極。兩個(gè)電極上都進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)，電子不是被釋出或吸收。兩個(gè)電極上的電勢(shì)改變，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。在某些情況下，當(dāng)一個(gè)電池用完了以后，迫使電流返回流入這個(gè)電池，電池內(nèi)會(huì)反過來發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電能又轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并用于再次產(chǎn)生電流。這就是蓄電池。比如汽車?yán)锏你U酸電池、手機(jī)用的鋰離子電池，還有鎳氫電池、鎳鎘電池等。第8頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天9第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介在一個(gè)電池里，浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多，因?yàn)槠渲兄煌ㄟ^一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。然而，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來制造手電筒的電池。如果試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花成本費(fèi)數(shù)十億美元。

燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些燃料的化學(xué)能只通過一個(gè)步驟變?yōu)殡娔?。?頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天10第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介燃料電池也有多種類型。1991年，我國(guó)首創(chuàng)以鋁－空氣－海水為能源的新型電池，稱之為海洋電池。它是一種無污染、長(zhǎng)效、穩(wěn)定可靠的電源。海洋電池徹底改變了海上航標(biāo)燈的供電方式。海洋電池，是以鋁合金為電池負(fù)極，金屬（Pt、Fe）網(wǎng)為正極，用取之不盡的海水為電解質(zhì)溶液，它靠海水中的溶解氧與鋁反應(yīng)產(chǎn)生電能的。海水中只含有0.5%的溶解氧，為獲得這部分氧，正極制成仿魚鰓的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以增大表面積，吸收海水中的微量溶解氧。這些氧在海水電解液作用下與鋁反應(yīng)，源源不斷地產(chǎn)生電能。兩極反應(yīng)為：負(fù)極：（Al）：4Al－12e＝4Al3＋

正極：（Pt或Fe等）：3O2＋6H2O十12e＝12OH－

總反應(yīng)式：4Al＋3O2十6H2O＝4Al(OH)3↓第10頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天11第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介最有望用于汽車的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池。它的工作原理是：將氫氣送到負(fù)極，經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中兩個(gè)電子被分離出來，這兩個(gè)電子在正極的吸引下，經(jīng)外部電路產(chǎn)生電流，失去電子的氫離子（質(zhì)子）可穿過質(zhì)子交換膜(即固體電解質(zhì))，在正極與氧原子和電子重新結(jié)合為水。第11頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天12第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介由于氧可以從空氣中獲得，只要不斷給負(fù)極供應(yīng)氫，并及時(shí)把水（蒸汽）帶走，燃料電池就可以不斷地提供電能。第12頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天13第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介它唯一的排放物是水，不但完全無污染，也避免了傳統(tǒng)電池充電耗時(shí)的問題，是目前最具發(fā)展前景的新能源方式，如能普及的應(yīng)用在車輛及其它高污染之發(fā)電工具上，將能顯著改善空氣污染及溫室效應(yīng)。第13頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天14第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介燃料電池所使用的「氫」燃料成本比較高，用甲醇等燃料代替氫可以大大降低成本。第14頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天15第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介傳統(tǒng)的制氫方式主要是通過煤、石油、天燃?xì)獾牧呀猱a(chǎn)生氫氣；或者通過電解水制得氫氣；由于在氫氣制備的過程中消耗了大量的化石燃料，且造成區(qū)域環(huán)境污染和全球的變暖，所以開發(fā)出綠色清潔制氫途徑成為氫能源開發(fā)的目標(biāo)之一。太陽(yáng)能和水是地球上重要的兩種可再生性資源，利用太陽(yáng)能分解水制備氫氣是最清潔的制氫途徑，一直是人類開發(fā)氫能的夢(mèng)想。第15頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天16第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介如果在燃料電池的氧氣進(jìn)氣口封上一層微孔膜，限制氧氣進(jìn)入的速度，就可制成檢測(cè)氧濃度的氧電極。當(dāng)環(huán)境中氧濃度高的時(shí)候，氧電極的輸出電壓高，反之，電壓低。第16頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天17第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介第17頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天18第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介2.極譜式電極極譜式溶氧電極以鉑金(Pt)作陰極，Ag/AgCl作陽(yáng)極，電解液為氯化鉀(KCl)，用硅橡膠滲透膜作透氣膜。測(cè)量時(shí)，在陽(yáng)極和陰極間加上0.68V的極化電壓，氧通過滲透膜在陰極消耗，透過膜的氧量與水中溶解氧濃度成正比，因而電極間的極限擴(kuò)散電流與水中溶解氧濃度成正比，表計(jì)檢測(cè)此電流并經(jīng)運(yùn)算變換成氧濃度。極譜式電極需儀表輸入一電壓對(duì)電極進(jìn)行極化，由于外加電壓可能要15分鐘才能穩(wěn)定，因此極譜式電極使用前通常要進(jìn)行預(yù)熱確保電極能妥當(dāng)極化。第18頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天19第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介二、順磁分析技術(shù)能夠傳導(dǎo)磁力并增強(qiáng)周圍磁場(chǎng)的物質(zhì)稱為順磁物質(zhì)。與臨床麻醉相關(guān)的醫(yī)用氣體中，只有氧氣屬于順磁物質(zhì)。順磁性檢測(cè)的具體方法，順磁式測(cè)氧儀還可以分為磁壓力式、聲磁式、熱磁式及磁力機(jī)械式四種。第19頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天20第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介磁壓力式測(cè)氧儀工作原理是：在交變磁場(chǎng)中，有兩路流阻相同的通道，以相同的流速分別通過參比空氣和待測(cè)氣體。由于氧氣分子在交變磁場(chǎng)中隨磁場(chǎng)變化翻動(dòng)會(huì)造成氣流振動(dòng)，使氧氣含量較高的氣流通道阻力變大，兩氣體通道之間出現(xiàn)壓力差。檢測(cè)壓差信號(hào)處理，即可得到氧氣濃度的大小。第20頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天21第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

聲磁式測(cè)氧儀工作原理是：使交變磁場(chǎng)的頻率在聲波范圍內(nèi)，可利用微音器在管道內(nèi)檢測(cè)到氣流擾動(dòng)產(chǎn)生的特定音頻信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度與氧氣濃度成比例。第21頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天22第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介三、紅外線分析技術(shù)具有兩種以上元素的氣體分子(如N2O、CO2以及鹵素麻醉氣體)都具有特定的紅外線吸收光譜，吸光度與吸光物質(zhì)的濃度成比例。通常采用4.3μm波長(zhǎng)的紅外線檢測(cè)CO2，采3.3μm波長(zhǎng)的紅外線檢測(cè)吸入麻醉藥。而無極性的O2、N2、He不吸收紅外線。第22頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天23第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

紅外線吸收式分析儀根據(jù)不同組分氣體對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測(cè)量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測(cè)量吸收強(qiáng)度可確定被測(cè)氣體的濃度。紅外線分析儀的使用范圍寬，不僅可分析氣體成分，也可分析溶液成分，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速，能在線連續(xù)指示。第23頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天24第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

主流式紅外線傳感器直接放置在氣管導(dǎo)管接頭呼吸氣路上。中間的氣流通道即為測(cè)量室，光源和換能器分別安裝在檢測(cè)室兩側(cè)的窗內(nèi)。紅外光源發(fā)出的紅外線透射穿過測(cè)量室氣體，經(jīng)特定的濾光片排除雜光干擾到達(dá)對(duì)側(cè)的光電換能器。紅外線在光電換能器上產(chǎn)生的電流與被檢測(cè)氣體濃度成比例。傳感器的校正器有兩個(gè)密閉的氣室，一個(gè)充滿氮?dú)?，一個(gè)充滿5％的二氧化碳，分別用于調(diào)零和校準(zhǔn)。第24頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天25第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

旁流式紅外線檢測(cè)器，采氣泵以恒定流速吸引呼吸氣體流過檢測(cè)室。遮光輪片上裝有若干個(gè)不同波長(zhǎng)的濾光片，滿足鑒別并測(cè)量二氧化碳和不同麻醉氣體的需要。工作時(shí)遮光輪片勻速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)特定濾光片選擇不同波長(zhǎng)的紅外線通過檢測(cè)室。光電換能器分時(shí)得到基線參比信號(hào)、二氧化碳信號(hào)和麻醉氣體信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信號(hào)處理，自動(dòng)鑒別并計(jì)算出氣體中二氧化碳和麻醉氣體濃度，還能重組信號(hào)連續(xù)顯示呼吸波形。第25頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天26第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

聲光氣體分析原理：采氣泵以恒定流速吸引呼吸氣體流過檢測(cè)室。遮光輪片留有三排透光孔，檢測(cè)室相應(yīng)部位裝有一組濾光片，分別透過氧化業(yè)氮、揮發(fā)性麻醉氣體和二氧化碳特征波長(zhǎng)的紅外光。遮光輪片勻速旋轉(zhuǎn)，使紅外線以脈沖形式照射檢測(cè)室，每種波長(zhǎng)的紅外光激活一種氣體，引起檢測(cè)室內(nèi)氣體規(guī)律脹縮，當(dāng)紅外脈沖頻率達(dá)到音頻范圍時(shí)，氣路中的微音器可以檢測(cè)劍二種不同頻率的音頻信號(hào)，不同音頻信號(hào)的強(qiáng)度與相對(duì)應(yīng)的氣體含量成比例。第26頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天27第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介除用電容式傳感器外，也可用直接檢測(cè)紅外線的量子式紅外線傳感器，并采用紅外干涉濾光片進(jìn)行波長(zhǎng)選擇和配以可調(diào)激光器作光源，形成一種嶄新的全固體式紅外氣體分析儀。這種分析儀只用一個(gè)光源、一個(gè)測(cè)量室、一個(gè)紅外線傳感器就能完成氣體濃度的測(cè)量。此外，若采用裝有多個(gè)不同波長(zhǎng)的濾光盤，則能同時(shí)分別測(cè)定多組分氣體中的各種氣體的濃度。與紅外線分析儀原理相似的還有紫外線分析儀、光電比色分析儀等，在工業(yè)上也用得較多。第27頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天28第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介四、其他氣體分析技術(shù)1.氣相色譜分析技術(shù)工作原理：恒流載氣通過色譜柱，氣體樣本注入載氣，混合后注過色譜柱時(shí)由于色譜柱內(nèi)的固定相與不同氣體分子的粘滯力不同，相似者相容，粘滯力強(qiáng)，渡過速度慢，反之渡過速度快。這樣混合氣體中的不同成分被分離，分別先后通過檢測(cè)器進(jìn)行定量分析。氣相色譜通用性好，是最早用于麻醉氣體研究的分析技術(shù)?？梢詸z測(cè)各種與麻醉相關(guān)的氣體。第28頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天29第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介但是分析速度慢，不同理化性質(zhì)的氣體不能同時(shí)測(cè)定，難以滿足臨床監(jiān)測(cè)連續(xù)慢速的要求。第29頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天30第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介2.質(zhì)譜分析技術(shù)檢測(cè)原理：采氣泵吸引患者呼吸氣體經(jīng)近樣品室，極少數(shù)氣體分子通過進(jìn)樣毛細(xì)孔進(jìn)入離子室。在高速電子的轟擊下，這些氣體分子失去電子成為帶正電的氣體離子，然后在加速電場(chǎng)的作用下向靶電極運(yùn)動(dòng)。氣體離子的運(yùn)動(dòng)軌跡與其質(zhì)量/電荷電量比值有關(guān)。第30頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天31第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介在四極質(zhì)譜儀中，四根平行電極形成靜電場(chǎng)，大多數(shù)氣體離子被電極捕獲，不能到達(dá)靶電極。在一定電場(chǎng)參數(shù)下，只允許一質(zhì)荷比的離子到達(dá)靶電極。連續(xù)改變電場(chǎng)參數(shù)即可控制不同質(zhì)荷比的氣體離子分別到達(dá)靶電極。靶電極產(chǎn)生的電信號(hào)與檢測(cè)氣體濃度成比例，據(jù)此可以鑒別混合氣體的不同成分，及各成分的含量。在磁選擇質(zhì)譜儀中，是利用磁場(chǎng)改變氣體離子的運(yùn)行軌道，設(shè)置多個(gè)靶電極，可以同時(shí)鑒別并檢測(cè)多種已知?dú)怏w的成分。第31頁(yè),共38頁(yè)，2024年2月25日，星期天32第二節(jié)氣體檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介3.拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)原理：激光作用于氣體分子，分子內(nèi)的一部分電子吸收光子能量躍遷到較高能量級(jí)軌道。隨后被吸收的能量以不同的波長(zhǎng)再發(fā)射出來，氣體分子恢復(fù)到原來的水平。這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。不同的氣體分子具有特定的散射光譜，散射光