氧电池,这里特指医用氧电池,又称氧气传感器(Oxygen sensor)、氧浓度传感器、氧气单元、氧探头、氧电极等,采用电化学原理。

什么是氧气传感器

 

氧气传感器

 

 

氧气传感器的工作原理

氧电池,这里特指医用氧电池,又称氧气传感器(Oxygen sensor)、氧浓度传感器、氧气单元、氧探头、氧电极等,采用电 OOM202 氧电池化学原理,主要功能是用于测量混合气体的氧浓度,测量范围为:0 %~100%氧浓度,在恒定工作压力和恒定温度条件下,氧电池产生的电压值与氧浓度成正比关系,每个氧电池的输出电压在整个寿命期内基本上是稳定的。

 

简单来说,它的原理就是氧气参与氧化还原的电池,会发生以下电极反应: 

正极:O2+2H2O+4e-=4OH- 

负极:Fe-3e-+3OH-=Fe(OH)3 

总方程式:3O2+4Fe+6H2O=4Fe(OH)3

 

当测量到的氧浓度值与设置的氧浓度值偏差较大时,机器将发出报警提示,这时可以对其进行定标校准,若仍然偏差较大,一般都是氧电池耗尽,需更换氧电池,一般氧电池使用寿命约 1~3 年。

 

氧电池位置一般都在病人吸气端与空氧混合器之间。如 MAQUET Servo i 呼吸机的气路系统:空气、氧气分别进入两个气体模块, 根据设置的潮气量、压力水平和氧浓度计算精确后送气至混合腔, 混合腔内有混合瓣搅动气流, 空气、氧气充分混合, 经氧电池监测实际氧浓度后送出。氧电池在呼吸机里仅做终末监测,本身和氧浓度控制无关。

 

2. 氧电池性能检测

 

(1)氧电池失效判断

 

观察氧浓度监测情况,如果测量值与设置值比较偏差较大,先检查氧源问题,看氧气压力(0.24~0.6MPa, 一般在 0.4MPa 左右)、流量(一般在 120L/ 分钟)、氧浓度(100%) 是否正常,另外考虑空氧混合器是否正常,排除以上可能,如果氧浓度测量值与设置值比较偏差超过 10%至少 30s,可判断为氧电池已经失效。曾碰到一台拉斐尔呼吸机报警“气道内氧浓度过高”,查看氧浓度设置值为 50%,而测量值>80%,虽然做氧电池校正通过,但值偏差仍远远>10%,基本可判断是氧电池问题,从其它同型号呼吸机拆一个氧电池试机正常,确定系原氧电池失效。有些厂商对氧电池的检测是分别在 21%、100% 氧浓度环境下测氧电池输出电压(假设分别为 X、YmV),分析 X/21%、Y/100% 两者偏差是否在 5% 允许范围内。

 

图 2:氧电池失效判断

 

如实测一个德国 EnviteC 公司的 OOM202 氧电池,置于正常空气中(21%氧浓度)输出 13.9mV,置于 100% 纯氧下,输出 66.3mV,实际误差远低于 5%,初步判断此氧电池正常。还有一种较简便的方法就是利用氧浓度测定仪核对。氧浓度测定仪一般手持带显示屏,能在数秒内测出氧气浓度,精度达 1%~2%。当呼吸机氧浓度设置值与测量值差异较大,可在通气管道中接入氧浓度测定仪,观察氧浓度测定仪的测量值与呼吸机本身氧浓度设置值、测量值哪一项较一致,正常时误差不应超过 5%,方便确定故障。

 

(2)氧电池的定标

 

如果氧浓度测量值与设置值比较偏差超过 2%,并且为第一次出现,那么,可以尝试对氧电池实行定标,氧电池作为一种电化学传感器,随着使用时间的延长其能量不断消耗。因为氧源参数使用的每一次都不尽一样,导致氧浓度控制和监测不一致,所以实行一次定标是非常重要的,如果定标能通过,说明氧电池还没有完全失效,在这种情况下,氧电池的寿命可延长(1~4)个月。

 

一般定标的原理是:将输出氧浓度分别设定为 21%和 100%,然后调节氧电池增益,使测量值和设置值保持一致,如此反复多次仍无法调到 21%和 100%,通常说明氧电池需要更换,待两点定标完成后,在 21%和 100%输出范围内,多点比较氧浓度设定值与显示值,如果偏差在 5%以内,说明氧电池控制和监测基本没有问题。定标通过不代表氧电池就是好的,因为大部分为两点定标:21%和 100%,氧电池坏了一般情况下定标肯定通不过。

 

现在呼吸机一般都采用自动定标。如 PB840 呼吸机氧电池不好会产生报警:氧浓度过高、过低(O2% HIGH、O2% LOW),或者直接报重新安装氧电池(REPLACE O2 SENSOR)。定标过程如下:

 

(1)连好呼吸机纯氧气源,然后按 100% O2/CAL2 分钟(纯氧定标 / 冲洗 2 分钟)键,开始定标氧电池,在该按键指示灯灭后进行下一步操作;

(2)将呼吸机氧气管与另一纯氧气源相连(如另一个医用级氧气瓶),即用此纯氧气源检查呼吸机已定标的氧电池监测功能;

(3)将氧浓度值分别设为:21%、40%、90%,并停留 1 分钟让测量值稳定;

(4)观察 GUI 上半屏中氧浓度测量值必须分别在 1 分钟内稳定在与相应设置值误差 3%范围内。

 

(3)兼容氧电池选择

 

一般氧电池的工作寿命通常只有一至两年,质量好的可以使用接近三年,主要随实际操作环境而有所变化,如在高氧浓度或高温状况下使用会缩短其寿命。考虑到原厂氧电池价格太贵,很多医院尝试选择兼容氧电池。氧电池的兼容选择不单单是外形大小及接口,一般兼容厂家都有产品替换目录。

 

目前氧电池兼容厂家主要有德国 IT、EnviteC、美国 Teledyne、英国 City Technology 等公司。对市场上常见的呼吸机品牌如 NPB、ohmeda、Drager、HAMILTON 等的氧电池都有相应兼容替换产品。MAQUET 呼吸机只有 Servo 300、700、900 等少数部分机型氧电池是可兼容的, Servo i 及 Servos 没有兼容的,氧电池里面带记忆芯片的( 记忆芯片内包括氧电池序列号、更换日期、有效时间等), 更换新的氧电池必须做自检, 电池的序列号及容量都能在状态栏里显示出来, 目前还没有可以替代的产品。据说 MAQUET 已有超声的永久性氧电池,利用超声原理,避免氧电池作为耗材经常更换。

 

氧电池一般一两年左右即需更换,属于呼吸机耗材,而进口氧电池价格不菲,有临床科室出于节约开支目的,片面认为氧电池在呼吸机里仅做终末监测,本身和氧浓度控制无关,不用氧电池,或关闭氧浓度监测功能,其实这种做法是错误的。因为氧电池是用来检测呼吸机所输送的氧气浓度是否达标的工具。进口呼吸机虽多采用比例电磁阀,供氧一般较为准确,但一旦空氧混合器故障,为患者输送了与预置吸氧浓度(FiO2)不符的氧,可能会因长时间高浓度吸氧引起氧中毒。

 

曾有一台 Drager Evita 2 dura 呼吸机,氧浓度设置值 45%,而测量值在 75%~85%之间不稳。当时没做其它检测仅凭经验判断系氧电池失效,因当时 ICU 病人较少还是对该机作停机处理。在采购到新的氧电池更换后故障依旧,后对呼吸机作全面检测,查出控制氧气比例的红宝石阀损坏漏气引起。试想, 如果我们当时认为氧浓度监测不重要, 而盲目关掉氧浓度监测功能, 继续使用呼吸机, 有可能会产生严重的后果。作为医院设备科工程师,应正确认识氧电池在呼吸机中的重要作用,定期进行相关安全性能检测,保证设备正常运行。

 

氧气传感器的作用

主要功能是用于测量混合气体的氧浓度,测量范围为:0 %~100%氧浓度,在恒定工作压力和恒定温度条件下,氧电池产生的电压值与氧浓度成正比关系,每个氧电池的输出电压在整个寿命期内基本上是稳定的。当测量到的氧浓度值与设置的氧浓度值偏差较大时,机器将发出报警提示,这时可以对其进行定标校准,若仍然偏差较大,一般都是氧电池耗尽,需更换氧电池,一般氧电池使用寿命约 1~3 年。