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1、第八章 医学气体监测仪器v麻醉设备学安医大二附院 安医大二附院李加荣 李加荣第八章 医学气体监测医学气体监测的重要性：麻醉实践中医用气体管理技术占有的成分越来越重，气体管理设备的故障会引起严重的麻醉事故。与麻醉相关的气体有生理气体和麻醉气体两类。生理气体主要包括氧气、二氧化碳；麻醉气体包括气体麻醉剂（如氧化亚氮）和各种挥发性吸入麻醉药蒸汽（如氟烷、恩氟烷、异氟烷、七氟烷、地氟烷等）医学气体监测是采集含有患者生理信息和医学信息的气体，通过仪器分析有关气体含量，指导医学干预的检测技术。2第八章 医学气体监测与麻醉相关的气体生理气体氧气二氧化碳麻醉气体气体麻醉剂如氧化亚氮液体麻醉剂蒸气氟烷 恩氟烷异
2、氟烷 七氟烷地氟烷 等3第一节 检测气体的采集呼吸气体的采集方法：1.主流式：检测传感器位于患者气道出口处，直接测量通过的呼吸气流。气体监测仪麻醉回路传感器传输电缆4第一节 检测气体的采集2.旁流式：检测传感器位于气体监测仪内，在患者气道出口处外接采气三通管，采气泵持续采集患者的呼吸气体送入监测仪完成检测。气体监测仪麻醉回路采集气体三通管采气管5第一节 检测气体的采集3.截流式：在旁流式采集技术的基础上，于呼气末阻断麻醉回路与患者的联系，采集患者肺泡气体完成检测。气体监测仪麻醉回路采集气体三通管采气管6第二节 气体检测技术简介目前常见医用气体监测仪主要采用电化学、红外线、顺磁三种气体检测技术。
3、一、电化学分析技术氧化还原反应存在首电子传递过程，其电量变化与参加反应的氧气含量成比例，可据此原理分析混合气体中的氧气浓度。1.燃料电池2.燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能储电而是一个发电厂。7第二节 气体检测技术简介为了利用煤或者石油来发电，必须先燃烧它们。燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽推动涡轮发电机发电。换句话说，火力发电是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而，燃料非常便宜，虽有这种浪费，也不妨碍大量使用。还有可能把化学能直接
4、转换为电能，而无需先转换为热能，这就是干电池。干电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根电极。两个电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出或吸收。两个电极上的电势改变，产生电动势。在某些情况下，当一个电池用完了以后，迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，电能又转化为化学能，并用于再次产生电流。这就是蓄电池。比如汽车里的铅酸电池、手机用的锂离子电池，还有镍氢电池、镍镉电池等。8第二节 气体检测技术简介在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通 过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果试图使用足够的锌或类似的金属来
5、为整个城市准备电力，那么，一天就要花成本费数十亿美元。燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能只通过一个步骤变为电能。9第二节 气体检测技术简介燃料电池也有多种类型。1991年，我国首创以铝空气海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。海洋电池彻底改变了海上航标灯的供电方式。海洋电池，是以铝合金为电池负极，金属（Pt、Fe）网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。海水中只含有0.5%的溶解氧，为获得这部分氧，正极制成仿鱼鳃的网状结构
6、，以增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。两极反应为：负极：（Al）：4Al12e4Al3 正极：（Pt或Fe等）：3O26H2O十12e12OH 总反应式：4Al3O2十6H2O4Al(OH)3 10第二节 气体检测技术简介最有望用于汽车的燃料电池是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是：将氢气送到负极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质子）可穿过质子交换膜(即固体电解质)，在正极与氧原子和电子重新结合为水。1 1第二节 气体检测技术简介由于氧可以从空气中获得，
7、只要不断给负极供应氢，并及时把水（蒸汽）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。12第二节 气体检测技术简介它唯一的排放物是水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方式，如能普及的应用在车辆及其它高污染之发电工具上，将能显著改善空气污染及温室效应。13第二节 气体检测技术简介燃料电池所使用的氢燃料成本比较高，用甲醇等燃料代替氢可以大大降低成本。14第二节 气体检测技术简介传统的制氢方式主要是通过煤、石油、天燃气的裂解产生氢气；或者通过电解水制得氢气；由于在氢气制备的过程中消耗了大量的化石燃料，且造成区域环境污染和全球的变暖，所以开发出绿色清洁制氢途径成为氢能源
8、开发的目标之一。太阳能和水是地球上重要的两种可再生性资源，利用太阳能分解水制备氢气是最清洁的制氢途径，一直是人类开发氢能的梦想。15第二节 气体检测技术简介如果在燃料电池的氧气进气口封上一层微孔膜，限制氧气进入的速度，就可制成检测氧浓度的氧电极。当环境中氧浓度高的时候，氧电极的输出电压高，反之，电压低。16第二节 气体检测技术简介17第二节 气体检测技术简介2.极谱式电极极谱式溶氧电极以铂金(Pt)作阴极，Ag/AgCl作阳极，电解液为氯化钾(KCl)，用硅橡胶渗透膜作透气膜。测量时，在阳极和阴极间加上0.68V的极化电压，氧通过渗透膜在阴极消耗，透过膜的氧量与水中溶解氧浓度成正比，因而电极间
9、的极限扩散电流与水中溶解氧浓度成正比，表计检测此电流并经运算变换成氧浓度。极谱式电极需仪表输入一电压对电极进行极化，由于外加电压可能要15分钟才能稳定，因此极谱式电极使用前通常要进行预热确保电极能妥当极化。18第二节 气体检测技术简介二、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质。与临床麻醉相关的医用气体中，只有氧气属于顺磁物质。顺磁性检测的具体方法，顺磁式测氧仪还可以分为磁压力式、声磁式、热磁式及磁力机械式四种。19第二节 气体检测技术简介磁压力式测氧仪工作原理是：在交变磁场中，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待测气体。由于氧气分子在交变磁场中随磁场变化翻动
10、会造成气流振动，使氧气含量较高的气流通道阻力变大，两气体通道之间出现压力差。检测压差信号处理，即可得到氧气浓度的大小。20第二节 气体检测技术简介声磁式测氧仪工作原理是：使交变磁场的频率在声波范围内，可利用微音器在管道内检测到气流扰动产生的特定音频信号，信号强度与氧气浓度成比例。21第二节 气体检测技术简介三、红外线分析技术具有两种以上元素的气体分子(如N2O、CO2以及卤素麻醉气体)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。通常采用4.3m波长的红外线检测CO2，采3.3m波长的红外线检测吸入麻醉药。而无极性的O2、N2、He不吸收红外线。22第二节 气体检测技术简介红外线吸
11、收式分析仪 根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。红外线分析仪的使用范围宽，不仅可分析气体成分，也可分析溶液成分，且灵敏度较高，反应迅速，能在线连续指示。23第二节 气体检测技术简介主流式红外线传感器直接放置在气管导管接头呼吸气路上。中间的气流通道即为测量室，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的气室，一个充满氮气，一个充满
12、5的二氧化碳，分别用于调零和校准。24第二节 气体检测技术简介旁流式红外线检测器，采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，满足鉴别并测量二氧化碳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、二氧化碳信号和麻醉气体信号，再经计算机系统信号处理，自动鉴别并计算出气体中二氧化碳和麻醉气体浓度，还能重组信号连续显示呼吸波形。25第二节 气体检测技术简介声光气体分析原理：采气泵以恒定流速吸引呼吸气体流过检测室。遮光轮片留有三排透光孔，检测室相应部位装有一组滤光片，分别透过氧化业氮、挥发性麻醉
13、气体和二氧化碳特征波长的红外光。遮光轮片匀速旋转，使红外线以脉冲形式照射检测室，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剑二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。26第二节 气体检测技术简介除用电容式传感器外，也可用直接检测红外线的量子式红外线传感器，并采用红外干涉滤光片进行波长选择和配以可调激光器作光源，形成一种崭新的全固体式红外气体分析仪。这种分析仪只用一个光源、一个测量室、一个红外线传感器就能完成气体浓度的测量。此外，若采用装有多个不同波长的滤光盘，则能同时分别测定多组分气体中的各种气体的浓度
14、。与红外线分析仪原理相似的还有紫外线分析仪、光电比色分析仪等，在工业上也用得较多。27第二节 气体检测技术简介四、其他气体分析技术1.气相色谱分析技术工作原理：恒流载气通过色谱柱，气体样本注入载气，混合后注过色谱柱时由于色谱柱内的固定相与不同气体分子的粘滞力不同，相似者相容，粘滞力强，渡过速度慢，反之渡过速度快。这样混合气体中的不同成分被分离，分别先后通过检测器进行定量分析。气相色谱通用性好，是最早用于麻醉气体研究的分析技术。可以检测各种与麻醉相关的气体。28第二节 气体检测技术简介但是分析速度慢，不同理化性质的气体不能同时测定，难以满足临床监测连续慢速的要求。29第二节 气体检测技术简介2.
15、质谱分析技术检测原理：采气泵吸引患者呼吸气体经近样品室，极少数气体分子通过进样毛细孔进入离子室。在高速电子的轰击下，这些气体分子失去电子成为带正电的气体离子，然后在加速电场的作用下向靶电极运动。气体离子的运动轨迹与其质量/电荷电量比值有关。30第二节 气体检测技术简介在四极质谱仪中，四根平行电极形成静电场，大多数气体离子被电极捕获，不能到达靶电极。在一定电场参数下，只允许一质荷比的离子到达靶电极。连续改变电场参数即可控制不同质荷比的气体离子分别到达靶电极。靶电极产生的电信号与检测气体浓度成比例，据此可以鉴别混合气体的不同成分，及各成分的含量。在磁选择质谱仪中，是利用磁场改变气体离子的运行轨道，
16、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。31第二节 气体检测技术简介3.拉曼光谱技术检测原理：激光作用于气体分子，分子内的一部分电子吸收光子能量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，气体分子恢复到原来的水平。这种现象称为拉曼散射。不同的气体分子具有特定的散射光谱，散射光强度与该气体的含量成比例。这种分析技术可以鉴别并检测几乎所以与临床麻醉有关的气体，但单原子气体没有拉曼散射现象，不能采用这种技术检测。采用这种技术检测。在仪器的设计中，两头具有透光窗的检测室位于氦氖激光器光路内，测量室两端设置了空气入口，在透光窗口处形成空气保护层，以防止强光点燃麻醉气体。32第二节 气体检测技术简介33第二节 气体检测技术简介4.压电晶体分析技术检测原理：压电晶体在极间电压的作用下，会产生一定频率的振荡，振荡频率与晶体物理特性、电极板质量、极间电压有关。在晶体极板上涂脂质层，当脂质层与麻醉药蒸气接触时会吸附麻醉药蒸气使之质量发生变化，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。这种技术反应时间快，但不能检测生理气体，只能检测一种麻醉气体。34第二节 气体检测技术简介35第二节 气体检测技术简介36第二节 气体检测技术简介37李加荣 李加荣2012 2012 年 年 5 5 月 月演讲完毕，谢谢观看！