麻醉设备学：医学气体监测仪器

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1、麻醉相关的气体：1.生理气体 氧气、二氧化碳 2.麻醉气体 氧化亚氮、氟烷、安氟烷、七氟烷、地氟烷 医学气体监测是采集含有患者气体、仪器分析其中与患者病理和临床呼吸管理有关的气体含量，指导医学干预的检测技术。呼气末氧气、二氧化碳监测指导人工通气管理。临测吸入麻醉气体浓度可避免深麻醉，防止麻醉中觉醒。吸入气体氧浓度监测可以提前发现氧气供应错误。1、主流式气体采集2、旁流式气体采集3、截流式气体采集1、电化学分析技术 原理：氧化还原反应存在着电子传递过程，其电量变化与参与反应的氧气含量成比例。Galvanic电池又称燃料电池，由金质电极和浸在氢氧化钾电解膏中的铅阳电极组成。检测气体中的氧气在分压梯

2、度作用下通过电池通透膜，氧气分子在阴极得到电子，生成氢氧离子。氢氧离子扩散到阳极释放电子，生成氧化铅。阴极：O2+2H2O+4e-4OH-阳极：4OH-+2Pb 2PbO+2HO+4e-电池内两极间的电子传递在外电路形成的电流与被检测气体的氧气分压成正比。燃料电池测氧仪反应速度慢，不能随呼吸进行实时监测，主要用来检测麻醉回路中的平均氧浓度 极谱电极 极谱电极又称Clark电极，由银/氯化银阳极、金或铂阴极、饱和氯化钾电解液和气体通透膜构成。在外电场极化电压作用下，两极之间产生与气体氧分压成正比的氧化还原电位。阴极：O2+2H2O+4e-4OH-在外电场作用下：4OH-+4KCl 4KOH+4C

3、l-阳极：4Ag+4Cl-4AgCl+4e-极谱电池体积小，寿命长，但维护费高，必须8小时重新校准一次。2、顺磁分析技术 能够传导磁力并增强周围磁场的物质称为顺磁物。氧气属于顺磁气体。在交变磁场中，设有两路流阻相同的通道，以相同的流速分别通过参比空气和测量气体。由于氧气分子在交变磁场中随着磁场变化翻动会造成气流拢动，使氧气含量较高气流通道阻力变大，两气体通道之间出现压差。这种压差信号与两路气体之间的氧浓度差相关。在两个气体通道的入口处设置差压换能器，经计算机信号处理，即可测得氧气浓度。顺磁测氧仪性能稳定，反应速度快，可连续观察呼吸气体氧浓度。但在全紧闭麻醉中，为了减少麻醉气体消耗，将监测仪排出

4、气输回麻醉回路时，会有空气干拢吸入麻醉。3、红外线分析技术 具有两个以上不同元素的气体分子（N2O、CO2及卤素麻醉气体）都具有特定的红外线吸收光谱，吸光度与吸光物质的浓度成比例，即特定波长红外线透射强度与相关气体含量成反比。通常用4.3m波长的红外线检测CO2，采用3.3m波长的红外线检测吸入麻醉药。主流式红外线传感器直接放置在气管导管接头呼吸气体通路上。传感器中间的气流通路即为测量室，光源和换能器分别安装在检测室两侧的窗内。红外光源发出的红外线透射穿过测量室气体，经特定的滤光片排除杂光干扰到达对侧的光电换能器。红外线在光电换能器上产生的电流与被检测气体浓度成比例。传感器的校正器有两个密闭气

5、室，一个充满氮气，一个流满5%的二氧化碳，分别用于调零和校准。主要用于呼末二氧化碳的监测，反应速度快，并能描记二氧化碳呼吸波形。但易受水蒸气干扰，且比较笨重。旁流式红外线检测器采用气泵以恒定流速吸引呼吸气体流过检测室。遮光轮片上装有若干个不同波长的滤光片，满足鉴别并测量CO2和不同麻醉气体的需要。工作时遮光轮片匀速旋转，经特定滤光片选择不同波长的红外线通过检测室。光电换能器分时得到基线参比信号、CO2信号和麻醉气体信号，再经计算机系统信号处理，计算出气体中CO2和麻醉气体浓度，还能重组信号连续显示呼吸波形。旁流式传感器安装在主机内，工作环境稳定，反应速度快，可连续监测，但临测气体要经较长的采气

6、管才能到达传感器，有一定延迟时间。原理：气体分子吸收红外线后会体积膨胀，引起气压升高。工作时以三处不同特征波长的红外线（氧化亚氮、挥发性麻醉气体、CO2）照射检测室，每种波长的红外光激活一种气体，引起检测室内气体规律胀缩，当红外脉冲频率达到音频范围时，气路中的微音器可以检测到三种不同频率的音频信号，不同音频信号的强度与相对应的气体含量成比例。4、其他气体分析技术色谱柱内的因定相与不同气体分子的黏滞力不同，黏滞力强，流过速度慢，混合气体被分离，分别通过检测器进行定量分析。在平行电级形成的静电场作用下，大多数气体离子被电极捕获，在一定电场下，只充许一种质荷比的离子到达靶电极。利用磁场改变气体离子的

7、运行轨道，设置多个靶电极，可以同时鉴别并检测多种已知气体的成分。光散射分析技术：激光作用于气体分子，分子内一部分电子吸收光子能量进入振荡或旋转状态，跃迁到较高能量级轨道。随后被吸收的能量以不同的波长再发射出来，气体分子能量恢得到原来的水平。压电晶体在极间电压作用下，会产生一定频率的振荡，在晶体极板上涂覆脂质层，当脂质层与麻醉药蒸气接触时会吸附麻醉药使之质量发生变化，引起晶体振荡频率偏移，偏移量与混合气体中麻醉蒸气浓度成比例。光源经聚光镜通过狭缝开成干涉光栅。气体样本进入测量室，如果测量室和参比室气体成分一致，干涉条纹指示为零；如果测量室气体含有不同成分，由于气体折光率改变，干涉条纹即发生偏移，

8、位移量与测量气体含量成正比。一、气体采集方法1、麻醉回路内的氧气浓度表示麻醉机氧气供给情况，不能代表患者肺内氧气水平。2、麻醉机共同气体出口输出的麻醉气体浓度可以检验麻醉蒸发器输出精度，但不一定等于患者的吸入浓度。3、吸入气CO2浓度可以判断有无不良重复吸入，但不能说明控制通气水平在正常范围。4、由于无效腔的影响，主流和旁流呼气末气体检测值总是低于动脉血气分析结果。截流采气检测结果非常接近血气分析结果。二、海拔高度和大气压 大气压随海拔高度的上升而降低。一定浓度的CO2在不同大气压下CO2分压值不同，一定CO2分压的气体在不同大气压下浓度值不同。影响大气压的因素除海拔外，还有气温、湿度、季节等

9、气象条件。所以CO2监测仪器应具备实时测量大气压的功能，否则难以保证FCO2PCO2换算的准确度。三、水蒸气 患者呼出气体为37水蒸气饱和的湿润气体。由于水蒸气红外线吸收带与CO2和麻醉气体部分重叠，会干扰测定，还会污染检测室。主流采集检测方法采用传感器38恒温的方法减少水蒸气影响。旁流采气监测仪采用方法：1.进入采气管的气体降到室温，水蒸气冷凝释出水分。2.在积水器内设有疏水性过滤膜阻挡气体中的水分子。3.通过滤过膜的气体进入监测仪内连接的nafion管，这种管壁材料具有亲水性，在不漏气的情况下，允许气体中的分子通过管壁渗透到管外蒸发。4.检测器恒温到38，使检测气的湿度降低。四、仪器漂移

10、由于电子器件受环境温度和电气材料老化的影响，电了测量电路的精确度随使用时间缓慢变化的现象称为漂移。五、其它因素1.旁流式气体检测仪采气流通常为150ml/min。采气管道积水、扭曲，过滤膜污染阻力增大都会造成采气流量降低。2.呼吸频率过快（40次/分），吸呼比大于1:1，呼气时间缩短，影响呼气末气体的测量值。3.高浓度氧气可能展宽CO2的红外线吸收带，使测量值偏低。NO2与CO2的红外线吸收峰有部分重叠，会引起CO2测量值偏高。4.气体监测仪附近使用电刀等强电磁波也能影响气体监测。5.旁流式气体监测仪在工作时要吸入一定量的麻醉回路气体，使用者需注意额外补充新鲜气体。一、仪器校准的一般程序。二、

11、常用标准气体的配制方法。电解质分析仪采用离子选择性电极技术测量溶液中离子浓度，可以分析全血、血清、血浆，也可以直接分析尿液的电解质含量。一、基本原理（一）反应方程关系式 电解质分析仪有六种电极：钠、钾、氯、钙、镁和参比电极。每 个电极都有一离子选择膜，能够对被测样本中相应离子特异性亲和或渗透，相当于特异性离子交换器，膜两侧的电势差与离子浓度差成比例，测定原理类似于原电池。离子选择电极作为电池正极，参比电极作为电池负极。组成原电池。Ek2.303RTlog(Cxfx)/nF 公式表明，在一定条件下，原电池的电动势与被测离子浓度的对数呈线性关系。通过测量电池电动势，便可对被测离子进行定量测定。（二

12、）离子选择性电极1.钠电极：含铝硅酸钠的玻璃电极，由于使用了对钠离子敏感的玻璃膜，所以对钠离子的选择性很高，它产生的电位和钠离子浓度成比例。但当pH值低于5时，它会受到氢离子的干扰。2.钾电极：以钾缬氨霉素为活性材料的聚氯乙烯的膜电极，利用钾离子与缬氨霉素的强配位能力而达到高的选择性。3.氯电极：由对氯离子具有选择性响应的中性载体和聚氯乙烯（PVC）等组成，敏感膜的一侧与电极电解液接触，另一面与样品溶液接触，膜电位的变化与样品溶液中氯离子活度的对数成反比。（三）测量主法1.仪器首先测量两个已知浓度的标准液（A定标液和B斜率定标液）。2.动力泵将A标准液抽入电极池，进行A标准液电动势标定，再将A

13、标液排出。3.动力泵将B标准液抽入电极池进行斜率测定，再排出。4.经前置放大器放大得到两个电池电动势，送入CPU板，在仪器和序内建立一条校准曲线。5.由动力泵吸入样品，让待测液体同时和所有的电极相接触，不同的电极与样品中相应离子起作用而建立起各自相应电位。6.再与A和B标准液测定值进行比较，求出样品离子浓度。二、电解质分析仪的分类与结构（一）分类1、半自动与全自动2、2项、3项、4项分析仪和多项分析仪3、湿式和干式电解质分析仪 湿式电解质分析仪由选择性电极、参比电极、分析箱、测量电路、控制电路、动力泵及显示器等组成。干式电解质分析仪结构具有两个多层膜片，多层膜片均由离子选择性敏感膜、参比层、氯

14、化银层和银层组成，并用一纸盐桥相连。左边为样品电极，右边为参比电极。三、电解质分析仪的常见故障与维修1.吸样不畅 针管没接解到液体，试剂用完，泵管老化，管道堵塞2.液流系统堵塞3.仪器显示标准液A测不到或标准液B测不到4.测试血样出现反常值，测试时吸入凝血，溶液未到位，校正因子是否长时间未标定。5.定标通不过，6.对同一样本测定重复性不好 抽吸的样品中有气泡，电源不稳定，样品被污染，电极不够稳定。pH值检测常用参比电极为正极，以指示电极这负极，组成一个电化学电池，通过测量电池的电动势E取得相应溶液的pH测量值。临床上常用玻璃电极检测血液样品的pH值，电极上有一个能够穿透的具有电动势的玻璃膜，所

15、产生电位差的大小与膜两侧不同溶液的pH成正比。pH敏感玻璃膜的一侧为已知固定pH，另一侧是未知pH溶液，在玻璃膜两侧产生的电位差取决于敏感玻璃两边的pH差值。为了准确测定这个电位差，采用化学半电池。用一个半电池接到恒定的内溶液，另一个半电池接到未知的外溶液，这个半电池与pH指示器连接，通过pH指示器换算成pH单位的毫伏电压显示，此电及称为pH测量电极，一般由银/氯化银组成。参比电极通常是由汞-氯化汞（甘汞）组成半电池，其作用是提供一稳定电压以防止pH玻璃膜上电压改变。参比电极与测量电极用一个膜隔开，电极通过电解质液来保持与pH系统其他部分通电，电解质液为饱和氯化钾溶液。pH电极的定标原理：E=

16、K-FR-1T-1pH37时，R=0.0615，E=K-0.0615pH同一温度下，有两种不同pH溶液，利用同一电极测量时，第一溶液 E1=K1-0.0615pH1第二溶液 E2=K2-0.0615pH2可得 E1-E2=-0.0615(pH1-pH2)E=-0.0615pH当一个pH值为6.840的缓冲液存在于测量半电池中时，电动势变化为0。当测量半电池充满pH值为7.384缓冲液时，两只半电池之间的pH是0.554，电动势变化为33.46mV，电位差计将显示7.384.一、湿式血气分析仪（一）工作原理被测血液被抽入样品室内的测量管中，被pH、pH参比、PO2和PCO2四个电极测得，电极将它

17、们转换成各自的电信号，再送到CPU，经逻辑运算处理后，得出测量和计算值。血气分析方法是一种相对测量方法。在进行测量前，先要用标准液来确定pH、PO2、PCO2三套电极的工作电极的工作曲线，这个过程称为定标或校准。pH系统使用7.383和6.840左右的两种标准缓冲液来进行定标。氧气和二氧化碳分压标准气体有两种，第一种中含20%的O2和5%的CO2；第二种含10%的CO2，不含O2。控制系统要将上述两种标准气体分别混合到两种pH定标液内，气体分压平衡后再对三种电极一起进行定标。进入血样后，三种电极分别测量出pH、PO2、PCO2值，再通过相关公式计算出HCO3-、BE、TCO2等。（二）电极原理

18、1.pH电极原理2.血气分析仪中的PCO2电极属于气敏电极，是由测量半电池和参比半电池组装在一起的复合电极。PCO2电极头部为pH敏感玻璃，测量半电池密封在玻璃电极内，电极内部装有恒定pH缓冲液和Ag/AgCl电极，参比半电池（Ag/AgCl）装在电极的外部。PCO2电极装入有机玻璃圆筒中，塑料套上有气体渗透膜，其后装有PCO2电解液，PCO2电解液能使参比电极产生电泳，通过开口与测量电极接通。测量时，CO2会通过膜扩散，斜率随反应时间而慢慢增加，pH玻璃电极系统须尽可能靠近气体渗透膜。根据亨利（Henry）气体溶解定律，在温度恒定时，气体扩散量直接与该气体压力梯度成比例。如果电极膜两侧存在C

19、O2分压差，CO2则在分压差作用下通过膜进行扩散，使电极内外气体分压平衡。CO2进入电解质液内会产生H+和HCO3-。反应所产生的H+浓度与PCO2的高低成比例，当用水生HCO3-液槽作为测量半电池时，即可通过pH变化值测知血液的PCO2。3.氧电极是一种极谱气敏电极。血氧分压的测量基于电解氧的原量。将两个电极置于电解质溶液中接通直流电后，在阴极会得到电子，发生还原反应，阳极会失电子，发生氧化反应。两个电极之间会有电流流过，此时溶液中如有氧存在，则能促进电解质电解，使电流增强，从而可根据电流变化获知溶液中的氧量。PO2电极工作电压和电流的关系呈倒S形曲线。电压在300700mV时电流与PO2成

20、正比，电极电压变化对两者的关系并无明显影响，且以600mV最为理想。电压超过800mV，即使无氧分子参与，水本身也会被电解而产生电流。目前血所分析仪已将电解质、血气分析、血红蛋白等生化指标结合在一体进行检测。二、干式血气分析仪 荧光物质在特定波长光照射后，分子内获得能量处以激发态的电子，会迁跃到高能轨道上，照射停止后，这些电子又会瞬间释放能量发出特定波长的荧光，反回静息状态。三、血气分析仪应用的注意事项（一）影响血气测定结果的因素1.采血操作不当 在患者循环不良的部位采血，测得的PCO2会升高，pH、PO2会降低。在患者输液侧采血，测得的结果会受患者所输液体酸碱度的影响。2.气泡的影响3.肝素

21、的影响 肝素在血液比例的加大，血气分析结果中pH、PO2随之增加，PCO2随之降低。肝素与血液比例在1:20时，既能起到抗凝作用，又不影响血气分析结果。4.标本溶血、凝血的影响凝血会堵塞仪器管道，溶血会使血气中的PO2、PCO2升高，pH降低（动脉红细胞内PO2、PCO2高于血浆）。5.标本没有摇均的影响6.标本放置时间的影响 如果不能及时完成测量，在室温条件下放置不得超过20分钟。20分钟内不能完成，应放入冰箱内（4）保存，不能超过2小时。7.温度的影响血气分析仪的传感器在测定时都加热到37，但有些患者的核心体温可能高于或低于37。（二）血气分析结果偏差的预防措施1.标本的采集 基本要求：合

22、理的采血部位；隔绝空气；患者安静；抗凝的动脉血；采血后立即送检；采血最好在患者停止吸氧30分钟后进行；不主采集动脉化毛细血管血标本。2.仪器的操作3.仪器的定标4.标本的分析 标本要摇匀，将注射器前边的血推出一些，凝血的标本不要分析5.血气分析仪的维护一、分析方法与原理（一）生物学方法 亦称凝固法，即将凝血因子激活剂加入待检血浆中，使血浆发生体外凝固，仪器记录血浆凝固过程，并转化为数据，用计算机处理得出计算结果。1.钩方法2.磁珠法3.光学法（二）生物化学法 通过测定产色物质的吸光度变化来推算待测物的含量。基本原理：首先人工合成某种酶裂解位点的化合物，且化合物与产色物质如对硝基苯胺（PAN）连

23、接，待检样品中含有活性酶（原）或往样品中加入过量酶激活剂，在检测过程中产色物质被解离下来，使被检样品出现颜色变化，其与被检物含量呈一定的数量关系。血凝仪目前使用产色物质检测的指标大致可分为三种模式，即对酶、酶原和酶抑制物进行测定。（三）免疫学方法（四）干化学技术（五）超声分析 PT、APTT无法提供血小板与凝血级联反应间的重要信息，理则论上就有可能产生有正常的PT和APTT值，但却由于凝血异常而仍有主动出血的情况。凝血弹性描记（TEG）能在1020分钟内提供凝血因子、纤维蛋白原、血小板功能和纤溶等有关信息。一、凝血弹性描记仪的原理 两个必需的机械部分：匀速原位来回旋转的加热小杯（恒温37）一根

24、自由垂吊的探针。工作情况 将0.36ml的新鲜全血置于小杯中，当杯中的血液保持液态时，小杯的来回旋转不影响探针。此时TEG描记图上表现为一直线，当杯中血块开始形成时，纤维蛋白细丝会把小杯的运动传到探针，探针感知的血块切应力和弹力信息经放大后在电脑软件中显示出相应宽度的TEG描记图。二、凝血弹性描记仪的参数与 意义 基本参数：凝血反应时间（R）、凝血形成时间（K），凝血形成速率（角）、凝血最强度（MA）、凝血综合指数（CI）、纤溶指数（LY30）R：样本置入小杯的时间至TEG曲线宽度达2 mm的时间，表示纤维蛋白开始形成的速度（与血浆凝血因子及循环抑制物活力的功能状态有关），正常值为48min。

25、K：从R的终点至TEG宽度达20mm的时间（反映纤维蛋白交联的情况，取决于内源性凝血子、纤维蛋白原和血小板和活力），正常值为14min。角：是从R时间终点，与TEG曲线作最大的切线形成的角度。反映整体凝血形成的速率，与纤维蛋白原浓度及血小板功能状态有关，正常值为4774。MA：TEG曲线最大宽度数值（反映了凝血的最大强度、纤维蛋白及血小板的状态对其数值影响最大），正常值为5573。A：是任一时刻描记图曲线两点间的距离，用来监测任一时刻曲线两点间的扫描宽度，是血凝块强度或弹性函数，计量单位为毫米。凝血综合指数CI：CI=0.2454R+0.0184K+0.1655MA-0.0241-0.0220

26、 CI直接反映整个凝血的高凝与低凝状态，正常值为-33。纤溶指数LY30为MA出现后30分钟的扫描区域，反映纤维蛋白溶解情况，即形成血凝块和稳定性，正常值为08%。三、凝血弹性描记仪的图形分析 高凝状态很难以常规和凝血试验检出，除非血小板计数或纤维蛋白原浓度显著升高。但在TEG图上有明确的特征：R时间短，角增大、MA值偏高。当LY308%时结合临床就可以检出纤溶亢进的存在。血小板功能对于维持正常的凝血状况有重要作用，血小板计数不能反映血小板功能，TEG的MA与血小板数量及对胶原和FDP的聚集反应有明显相关性。一、Sonoclot分析仪的工作原理 Sonoclot分析仪有一根中空的和尾端开口的一

27、次性塑料探针，其安装在一个超声换能器上。探针以200Hz的频率垂直振动，幅度为1m，并且被以固定的深度浸于装有0.4ml全血或血浆样本的容器中。当标本中的血凝块被电路驱动的探针所检测到时，探针运动的阻力随即增加，并转换成输出信号并记录，就可以反映血块形成的黏弹性。连续的输出曲线，描述了试管内整个凝血过程，即从纤维蛋白开始形成，到纤维蛋白单体聚合交联并与血小板相互作用，直到最后血块收缩和溶解。二、Sonoclot分析仪和图形分析 正常Sonoclot曲线通常可见两个明显的高峰，第一个高峰反映了纤维蛋白原转变成纤维蛋白，其上升支越陡（CR值大），说明纤维蛋白原的浓度越高，其转变成纤维蛋白的速度越快；纤维蛋白与血小板产生相互作用，血凝块发生收缩的结果；第二个高峰越高、越陡，说明凝血收缩越强烈，纤维蛋白原的浓度越大，血小板参与凝血的综合体现（反映血小板的量、功能及其与纤维蛋白相互作用的情况）越好。可见，Sonoclot分析仪不但可反映凝血因子的状况，而且也可反映血小板的数量及功能。其检测参数包括：ACT（SonAct，激活凝血时间）血液标本保持液态的时间，正常值为85-145s，主要反映内源性凝血系统的状况。CR（clot rate,凝血速率），曲线上升的第一个斜率，反映纤维蛋白形成的速率，间接反映纤维蛋白原的水平，正常值为15-45 clot signal/min。