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石  嵩  张炳熙

首都医科大学附属北京同仁医院麻醉科，北京100730

The Application of Anemometer to Respiratory Monitoring
Song Shi , Bing-xi Zhang
Department of Anesthesiology, Tongren Hospital , Capital University of Medical Sciences, Beijing 100730, China

                                                             　ABSTRACT

Objective: To  test the value of anemometer and require the results of respiratory mechanics used for clinical respirarory monitiring.
Methods: 15 healthy volunteers were selected in this study. Those with any respiratory diseases were excluded. We put the mask connecting with the anemometer sensor on the object's face tightly. Every one was asked to keep quiet and awake.  The eupnea was measured in six different kinds of sampling conditions, which respectively reflect the sampling action frequency: 1000,600,500,200,100 and 50 Hz. Each object was sampled for three times with one minute of intermission. The sampling action frequency was 100Hz, and the sampling time was 81.96s. The acquired respiratory mechanics parameters include: the average velocity of inspiratory/expiratory gas flow,  the maximum velocity of inspiratory/expiratory gas flow, the mean time of inspiratory/expiratory; the respiratory frequency; the flow volume of inspiratory/expiratory gas flow and the dynamic pressure of inspiratory/expiratory gas flow.
Results:Among the results required from those six different frequencies or  those three time points, none of the parameters showed statistically difference.
Conclusion: Sampling either at differential frequencies or at any time points had little effect on the results of respiratory mechanics characters. The anemometer could be used to monitor respiratory mechanics. The appropriate sampling frequency in clinical use is 100Hz.
Key words:  Anemometer; Spirometry.

　　呼吸功能的监测，对于诊断某些呼吸系统疾病，估计呼吸功能损害程度，起到很大作用。除了对疾病本身的治疗意义外，更重要的是指导围手术期病人的呼吸管理、急救复苏、重症病人的诊断治疗等。随着计算机技术在医学领域的广泛应用，呼吸力学监测的方法也越来越多样化。传统的监测方法有一定的局限性。如肺功能检测需要受试者配合，适用范围受到一定局限。在新生儿、低体重儿及高频通气时应用传统的流量监测不能准确反映呼吸状况。而热线风速仪直接测量瞬间气体速度，结果直接、敏感，对通气方式干扰小，适用范围广泛，频率反应性高。本实验通过不同采样频率和不同时刻应用热线风速仪对健康支援者进行呼吸监测，观察热线风速仪是否适用于临床，并确定合适的实验参数。

                          资料与方法<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

选择健康，无呼吸系统疾病的志愿者15例，男性7例，女性8例。年龄（31.4±8.2）岁，身高（165.6±5.56）厘米，体重（65.6±16.3）公斤。
　　实验方法: 将1276-10A型探针通过特定的支撑杆连于IFA-300 热线风速仪的测量电缆上。支撑杆上设有一可自由伸缩的金属保护套，保护探针头，避免损伤电阻丝。支撑杆外套一个橡皮塞，固定在直角弯头三通管（catheter mount, italy, mallinckrodt DAR）的短头端。固定严密后将探针从保护套内伸出，居于管腔的中央 （管腔内径为9.2mm）， 深度固定为4.5cm（见图1）。连接好的直角弯头三通管一头可直接连于面罩或气管导管、喉罩的标准外接口。另一端为一可伸缩延长管（即长头端），可直接与麻醉机的Y型螺纹管相连，或开放，直接与外界大气相通。这样，探针就可通过旁路方式测知流经直角弯头三通管的气体的流速，而不影响测试对象的呼吸。根据北京大学力学系测试分析室提供的《热线/热膜探针校准器》中的校准图表，选择14个测试点进行校准。

　　将校准标定好的探针外套一橡皮塞固定在直角弯头三通管上，一端连于面罩，面罩与受试者面部紧密贴合。另一端开放，FiO₂为0.21。探针固定在管腔中心，深度为4.5cm，管腔直径为9.2mm，横截面积为66.4424mm²，探头方向与直角弯头三通管长头端垂直。
　　进入IFA-300采样窗口，选定已校准的探针，改变温度设定为外在温度（EXT）。在安静环境下，受试者清醒，安静闭目，坐位。将连接有热线风速仪探针的面罩紧贴颜面部，平静呼吸一分钟后开始采样。采样结束时输入呼吸气体温度为33℃^[1]。屏幕上即可显示速度波形图。
　　实验方法：分别在两种不同条件下观察受试者的呼吸力学监测指标。①设定采样频率及其相对应的取样大小分别为：1000Hz、34K；600 Hz、16K；500 Hz、16K ；200 Hz、8K；100 Hz、8K；50 Hz、8K。②固定采样频率为100Hz，采样大小为8K，采样时间81.96s。每位受试者重复采样三次，采样间隔1分钟。

　　观察指标: 吸气相、呼气相气流平均速度; 吸气相、呼气相气流最大速度；呼吸频率及平均每次吸气、呼气时间；
　　根据公式(F=VS*T) ^[2]                                 
　　[1] 计算得出吸气相、呼气相气体流量。
　　根据公式(P=1/2ρV²) ^[2]                              
　　[2] 计算得出吸气相、呼气相气体动压。其中F为气体流量;V为速度；S为横截面积；T为时间；P为气体流动时的动压；ρ为气体密度（此处取值^[3]为空气密度1.15g/L）。
　　应用origin数据分析和绘图软件行统计学处理，所有计量数据用平均数±标准差（x±s）表示。采用单因素方差分析，P＜0.05为差异有显著性。
                                                       　　　结　　果
　　1.不同采样频率下的呼吸力学指标(见表1)。
　　 2. 不同采样时刻下的呼吸力学指标(见表2)。
　　　　　　　　　　　　　　　　讨　　论
　　热线风速仪是目前流体力学测量速度脉动的最常用的一种仪器。它的动态响应高，灵敏度高，有较高的空间分辨率。
　　热线风速仪遵循热平衡原理^[4]，在流场中某点放入一个由直径为微米量级的金属细丝做成的探头（称做热线探头），由电流加热并为气流的对流传递所冷却，使金属丝处于热平衡状态。由于丝的直径给定，材料的热学和电学性质已知，气体的热力学性质已知，又因金属丝的长度-直径比很大，丝两端的热传导损失可以忽略，则在气流方向和丝轴垂直的情况下金属丝的平衡温度仅与当地流速和加热电流的功率有关。若控制加热电流恒定，则可得到热丝的平衡温度和风速的一一对应关系；若控制热丝的平衡温度不变，则可得到加热电流和风速的一一对应的关系。前者称为恒流式热线风速仪，后者称做恒温式热线风速仪。本次研究采用近代普遍应用的恒温式热线风速仪。通过计算机获取加热探针的电流，从而得出流经探针的气流速度。
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　　热线风速仪具有不同的采样频率选择。通过对不同采样频率时测得数据的比较，寻找适合临床应用的频率。其结果显示，不同采样频率所测得的吸气相、呼气相气流平均速度、吸气相、呼气相气流最大速度、吸气相、呼气相气体流量、吸气相、呼气相气体动压、平均每次吸气、呼气时间、呼吸频率等均无统计学差异。说明热线风速仪测量时，选用不同的采样频率并不影响呼吸气体速度等相关呼吸力学指标。因此临床中可根据实际需要选择任一频率。根据山农（Shannon）采样定律^[12]，采样频率必须大于原模拟信号频谱中最高频率的两倍。正常成人呼吸频率一般为15-25次/分，最高可达40次/分。因此一般情况下采样频率可定为100 Hz。
　　在临床高频喷射通气模式时，应用高频采样仍可实时采集到及时准确的监测指标。因此热线风速仪可用来准确测量传统方法难以评估的高频喷射通气的生理及病理效应。
　　人体自主呼吸是一个动态的过程，而热线风速仪为一瞬时采集速度脉动的仪器，采样时间短暂。热线风速仪的快速测试是否能准确反应个体的呼吸力学特征？同一个体、相同状态下反复测量是否有良好的可重复性？为此，对正常志愿者每一个体重复采样测定，观察每次测量之间是否存在差异? 结果显示: 同一个体三次测定的所有参数比较，均无统计学差异。这些参数包括：吸气相、呼气相气流平均速度、吸气相、呼气相气流最大速度、吸气、呼气流量、吸气、呼气动压、平均每次吸气、呼气时间和呼吸频率。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　该仪器尽管监测时间短暂，但结果确实可信，重复性好。短暂的测量即可反映受试个体的呼吸力学特征。
　　从实验中发现不同个体呼吸力学特征不同，考虑与许多因素有关，如年龄、身高、体重、呼吸肌力量、气道通畅情况及胸廓及肺顺应性等，具体原因尚有待进一步研究分析方能明确。
　　综上所述，不同频率下采样对呼吸力学特征结果均无影响，一般情况下可将采样频率定为100 Hz。
　　同一个体、相同状态下，热线风速仪的测量具有较好的稳定性和重复性。
　　作为呼吸力学监测仪器，热线风速仪灵敏度高，准确性好，稳定性强，时间反应性好，操作简便，可在临床中应用。

参 考 文 献
1.Plakk P , Liik P , Kingisepp P H . Hot-wire anemometer for spirography. Med Biol Eng Comput, 1998, 36: 17-21.
2.张兆顺, 崔桂香. 流体力学. 第3版. 北京：清华大学出版社, 1991. 114-116.
3.张兆顺, 崔桂香. 流体力学. 第3版. 北京：清华大学出版社, 1991. 356-357.
4.颜大椿. 实验流体力学. 第1版. 北京：北京高等教育出版社, 1992. 76-78.
5.Lamp J, LiiK P. The spiroanalyser Sp02.  Research in Medicine. Tartu: 1994,65-67.
6.Kingiseep P H, Plakk P, Liik P. A thermoanemometric computerized system  for measurement of respiration flow and volume. 10th Nordic-Baltic Conf. on Biomedical Engineering, Satellite Symp. On Bioelectromagnetic and Biomechanic  Measurements. Tallinn, Estonia: 13-15 June 1996, 44-45.
7.Salfaro P ，Pillow JJ, et al. Reliable tidal volume estimates at the airway opening with an infant monitor during high-frequency oscillatory ventilation. Crit Care Med, 2001, 29: 1925-1930.
8.Kuo cy.Neonatal endotracheal tube leakage and compliance and resistance measurements. J Formos Med Assoc, 1996, 95: 218-224.
9.刘俊杰, 赵俊, 主编. 现代麻醉学. 第2版. 北京： 人民卫生出版社, 1997. 994.
10.盛森芝. 热线/热膜探针校准器. 1992. 北京大学力学系测试分析室.
11.郑煜. 生理学. 第5版. 北京： 人民卫生出版社, 2002. 138-139.
12.王世一. 数字信号处理. 第1版. 北京：北京理工大学出版社, 1987.