Один и тот же объёмный поток газа может иметь разные числовые представления при разных температурах, давлении и содержании водяного пара. Поэтому при сравнении анализатора и аппарата ИВЛ важна система приведения данных. Прежде чем трактовать расхождение как ошибку датчика, выясняют, к каким условиям относится каждое число.
Устройство и принцип действия
Объём не является неизменной характеристикой количества газа. При нагревании газ расширяется, при повышении абсолютного давления сжимается. Водяной пар также входит в состав влажной смеси. Следовательно, запись «доставлено 500 мл» неполна без указания температуры, давления и влажности, к которым относится результат. У жидкостей в обычных условиях эта зависимость гораздо менее заметна, поэтому привычка читать миллилитры как самостоятельную величину переносится на вентиляцию ошибочно.
Инженер фиксирует исходные настройки, температуру помещения, давление, положение анализатора и выбранную газовую смесь. Затем сравнивает определения объёма в обоих руководствах. Обнаруживается, что показание вентилятора приведено к BTPS, а анализатор оставлен в условиях сухого газа при окружающей температуре. После согласования условий сравнение повторяется без изменения механики стенда и параметров подачи. Если систематическая составляющая уменьшается, это подтверждает вклад пересчёта; оставшееся расхождение оценивают отдельно.
BTPS и ATPD обозначают условия, к которым приведён измеренный объём дыхательного газа. Поэтому два исправных прибора могут показывать разные миллилитры, хотя через них последовательно прошёл один и тот же газ. Такое расхождение особенно важно при проверке аппарата ИВЛ внешним анализатором: сравнивать следует одинаково определённые величины, а не просто два числа с обозначением Vt. Разбор условий приведения помогает отделить метрологическое несоответствие от утечки, ошибки измерения и реального нарушения подачи.
Для идеализированного газа соотношение количества вещества связывает абсолютное давление, объём и абсолютную температуру. Для влажной смеси при сравнении количества сухого газа дополнительно учитывают парциальное давление водяного пара. В учебной записи коэффициент пересчёта объёма содержит отношение температур в кельвинах и обратное отношение соответствующих давлений сухой составляющей. Подстановка температуры в градусах Цельсия вместо кельвинов лишает расчёт физического смысла.
Абсолютная влажность в респираторной технике обычно выражается массой водяного пара в единице объёма газа, например мг/л. Относительная влажность показывает отношение фактического парциального давления водяного пара к давлению насыщения при данной температуре. Температура определяет, сколько водяного пара может находиться в газовой фазе до достижения насыщения, но сама по себе не сообщает, сколько его там действительно находится.
Для предварительной учебной оценки запас при близком к атмосферному выходном давлении связывают с водяной вместимостью баллона и давлением. В идеальной модели при одинаковой температуре количество газа пропорционально произведению абсолютного давления на внутренний объём. При высоких давлениях реальный газ и температурные условия вносят поправки.
В замкнутом жёстком объёме давление зависит от температуры. После изменения температурных условий показание может измениться без соответствующего расходования газа. При быстром отборе также возможны тепловые переходные процессы. Поэтому сравнение двух давлений требует понимания условий, особенно если по нему вычисляют небольшой израсходованный объём.
Что определяет результат
Если поток вырос вдвое, а абсолютная влажность уменьшилась, суммарный расход воды всё равно может увеличиться. Например, условные 10 л/мин × 20 мг/л дают 200 мг/мин, а 20 л/мин × 15 мг/л — 300 мг/мин. Во втором случае масса воды за минуту больше, но на литр газа приходится меньше влаги. Поэтому уровень резервуара не заменяет оценку производительности в правильных единицах.
Два потока одинаковой температуры могут иметь разную абсолютную влажность. Два потока со стопроцентной относительной влажностью при разных температурах также содержат разное количество воды на литр. Поэтому фраза «влажность сто процентов» без температуры недостаточна для технической оценки респираторной смеси.
Для оценки масштаба рассмотрим условную стационарную систему. Пусть поток, выраженный в согласованных объёмных условиях, составляет 10 л/мин, а приращение абсолютной влажности — 20 мг/л. Тогда расчётный перенос воды равен 10 × 20 = 200 мг/мин, или 12 г/ч. Числа выбраны для иллюстрации размерности и не являются целевыми параметрами увлажнения пациента.
Для конкретного сравнения проверяют совпадение времени, положения, давления и определения измеряемого объёма. Метод, основанный на сообщении газа с дыхательным путём, и изображение анатомического пространства не обязаны измерять абсолютно одинаковый объект при всех условиях. Если временной интервал велик или состояние изменилось, разность нельзя целиком приписывать метрологической ошибке.
В модифицированном азотном методе изменение доли кислорода меняет долю азота во вдыхаемой смеси. Последующий переход состава выдыхаемого газа содержит сведения о количестве азота, покидающего или заполняющего доступное для газообмена пространство. Для расчёта нужны согласованные измерения концентраций и объёмов, а также предусмотренные поправки алгоритма.
Кабина создаёт контролируемое пространство вокруг пациента. Небольшие изменения объёма тела при дыхательных усилиях связаны с изменениями давления газа внутри этого пространства. Одновременно система регистрирует параметры у рта и, в предусмотренных фазах исследования, использует управляемый затвор. Связь сигналов позволяет рассчитывать искомые величины на основе физических закономерностей сжатия газа.
Бодиплетизмограф — медицинская измерительная система, использующая изменения давления и объёма газа в специальной кабине для исследования механических свойств дыхательной системы. Он позволяет получать сведения о внутригрудном газовом объёме и, в соответствующей конфигурации, сопротивлении дыхательных путей. Это диагностическое оборудование: кабина не предназначена для лечебного воздействия давлением, как барокамера.
Пересчёт объёма газа между двумя температурами на стенде
Приведение объёма газа к другой температуре позволяет сравнить одно и то же количество вещества в разных условиях. При постоянном давлении объём идеального газа пропорционален абсолютной температуре. В медицинских измерениях отдельно проверяют, относится ли величина к сухому или насыщенному влагой газу.
Изначально объём сухого газа составляет 1 л при 20 °C. При постоянных абсолютном давлении и количестве вещества применим закон идеального газа. Температуру подставляют в кельвинах.
В этом примере на горизонтальной оси отложен показатель «Новая температура, °C», на вертикальной — «Новый объём, л». Для первой точки исходная величина равна 0, расчётный результат — 0,93178. Для точки 30 получаем 1,0341. Последняя пара значений — 37 и 1,058. Все подписи относятся к одной модели и к единицам, приведённым на осях.
При переходе от сухих к влажным условиям одной температурной поправки недостаточно. Требуется учёт парциального давления водяного пара.
| Новая температура, °C | Новый объём, л |
|---|---|
| 0 | 0,93178 |
| 10 | 0,96589 |
| 30 | 1,0341 |
| 37 | 1,058 |
Сначала переведите обе температуры в кельвины. Отношение чисел в градусах Цельсия не выражает отношение абсолютных температур.
Применение и ограничения
BTPS и ATPD помогают корректно сравнивать измерения, но ничего самостоятельно не говорят об эффективности газообмена у пациента. Проверка вентилятора выполняется на предусмотренном стенде обученным персоналом. Клиническая оценка дыхательного объёма дополнительно зависит от пациента, режима, утечек и достоверности мониторинга; стендовое совпадение двух чисел не заменяет эту оценку.
Измерение лёгочных объёмов возможно несколькими способами. Методы разведения и вымывания используют поведение газа при вентиляции, а бодиплетизмография — механические изменения давления и объёма. Из-за различия физических принципов результаты могут расходиться, особенно когда распределение вентиляции неоднородно. Это не позволяет автоматически объявить один прибор неисправным по сравнению с другим.
Условный пример: баллон вместимостью 3 л, начальное давление 150 бар и выбранная исключительно для расчёта конечная граница 30 бар дают приблизительно 3 × (150 − 30) = 360 л газа при опорном давлении около 1 бар. Граница 30 бар не является рекомендацией: фактические ограничения задаются редуктором, аппаратом и принятой процедурой.
Для учебной герметичной стендовой системы после установления периодического режима входящий и выходящий объёмы, приведённые к одинаковым газовым условиям, должны согласовываться в пределах погрешности. При наличии дополнительного выхода появляется баланс Vвх − Vвых = Vут + ΔVнак, где ΔVнак отражает изменение количества газа, накопленного внутри контрольного объёма, в выбранном представлении.
Датчик, клапан и пациент находятся в разных точках газового тракта. Между ними расположены объём газа, податливые стенки и соединения. Поэтому зарегистрированное у аппарата изменение давления нельзя автоматически считать точной копией сигнала непосредственно у дыхательного пути во все моменты времени. Значение имеет вся измерительная конфигурация, а не только паспортная точность одного датчика.
VCV предназначен для вентиляции с заданием объёма, PCV — с управлением давлением вдоха. Различие определяет, какая величина непосредственно регулируется, а какая зависит от механических свойств дыхательной системы. При изменении сопротивления или растяжимости реакция аппарата в этих режимах различается. Поэтому в техническом задании важно описывать необходимые способы управления и наблюдения, а не ограничиваться общей формулировкой «встроенный аппарат ИВЛ».
На схеме обозначают вдох, выдох, место датчика и предусмотренные пути утечки. Затем подключают испытательное лёгкое с известным состоянием и сохраняют кривые времени. Отдельно смотрят, на каком участке возникло изменение и какое показание последовало за ним. При повторе сохраняют остальные условия. Такой опыт позволяет обсуждать механику контура без назначения режима вентиляции человеку.
Пример из практики
Дыхательный мешок одновременно служит резервуаром и средством ручного перемещения газа. Пока часть поступления увеличивает его объём, давление может изменяться относительно медленно. После изменения формы и натяжения мешка соотношение поступающего и выходящего потоков становится другим. Поэтому наблюдение за наполнением мешка дополняет измерение давления, но не заменяет его. На ощупь невозможно надёжно разделить сопротивление клапана, сопротивление дыхательного пути и механические свойства резервуара.
Сначала устанавливают, измеряет ли анализатор кислород автоматически или использует введённое вручную значение. Затем проверяют допустимый состав газа и выбранные условия приведения объёма. Нельзя изменять коэффициент калибровки вентилятора до исключения ошибки внешнего измерителя. Если измерительная система рассчитана на специальные смеси, их поддержку подтверждают документально, а не по наличию произвольного поля ввода.
На учебной кривой датчик у аппарата зарегистрировал 500 мл, а контрольный прибор у испытательного лёгкого — 470 мл. Разность составляет 30 мл, или 6% от первого показания. Из этих двух чисел нельзя установить причину расхождения. Для поиска причины нужны точки измерения, условия приведения объёма газа, сведения о контуре и о действующих алгоритмах компенсации. Если приложить процент к данным другой конфигурации, получится ложная поправка.
Связь с другими технологиями
Податливость дыхательного контура и доставка объёма
При повышении давления часть газа сжимается, а стенки элементов контура могут расширяться. Объём, вышедший из аппарата, поэтому не всегда равен объёму, прошедшему через более удалённую точку. Воспроизводимость стендового наблюдения зависит от состава линии и способа, которым система оценивает её свойства.
Конденсат в дыхательных магистралях
Если газ с водяным паром охлаждается, часть влаги может перейти в жидкую фазу. Расположение холодных участков, изменение температуры среды и конструкция линии влияют на место образования конденсата. Вода в измерительной линии способна изменить передачу давления или прохождение газовой пробы.
Как интерпретировать наблюдение
Влажность газа можно описывать по-разному. Абсолютная влажность отражает количество водяного пара в объёме газа. Относительная влажность показывает, насколько газ близок к насыщению при данной температуре. Эти показатели нельзя подменять друг другом. При охлаждении способность газа удерживать водяной пар уменьшается, поэтому в трубке может появиться жидкая вода даже при исправной камере.
Диапазон дыхательного объёма описывает возможности настройки аппарата, но сам по себе не сообщает, какой объём попадёт в лёгкие в каждой ситуации. Часть газа может расходоваться на расширение трубок, а при негерметичном соединении — теряться через утечку. Для оценки объёмной вентиляции необходимо различать заданную величину, условия её формирования и доступные измерения. У Osiris 1 это особенно важно потому, что переносной прибор не заменяет полный реанимационный комплекс мониторинга. При оснащении бригады заранее определяют, какие дополнительные данные будут доступны сопровождающему специалисту.
Сравнение смежных понятий
| Понятие | Что оно описывает |
|---|---|
| Влажность газа и условия приведения дыхательного объёма | Один и тот же объёмный поток газа может иметь разные числовые представления при разных температурах, давлении и содержании водяного пара. |
| Конденсат в дыхательных магистралях | Если газ с водяным паром охлаждается, часть влаги может перейти в жидкую фазу. |
| Датчик температуры в нагревательной линии дыхательного контура | Линия с нагревательным элементом и температурным контролем помогает управлять состоянием газа вдоль контура. |
По теме в энциклопедии
- Податливость дыхательного контура и доставка объёма
- Конденсат в дыхательных магистралях
- Дыхательный контур малого объёма для новорождённых
- BTPS, ATPD и дыхательный объём: почему показания вентилятора и тестера различаются
- Активное увлажнение при ИВЛ: абсолютная влажность, точка росы и конденсат
- Транспортная ИВЛ: как оценивать запас кислорода и автономность системы
- EELV при ИВЛ: измерение объёма лёгких методом вымывания и вмывания азота