流量测量技术的革新：肺功能检测与机械通气中的挑战与进展

《IEEE Sensors Reviews》：Advancing Flow Rate Measurement: Innovations and Challenges in Spirometry and Mechanical Ventilation

本刊推荐：为解决肺功能检测（spirometry）和机械通气（mechanical ventilation）中流量（flow rate, φV）测量的精度与可靠性问题，研究人员系统回顾了传统流量计（如涡轮、电磁、科里奥利流量计）与新型3D打印流量计的技术原理、优势与局限。研究结果表明，3D打印技术结合光纤布拉格光栅（FBG）等新兴传感器，为开发低成本、定制化的高精度流量测量设备开辟了新途径，对推动临床呼吸监测技术发展具有重要意义。

　　

在医疗健康领域，精确测量气体流量是评估肺功能和实施机械通气的基石。无论是诊断慢性呼吸系统疾病，还是为重症患者提供生命支持，流量数据的准确性直接关系到诊疗效果和患者安全。然而，现有的流量测量技术，如用于肺功能检查的涡轮流量计、电磁流量计，虽然应用广泛，但各自面临着惯性误差、仅适用于导电流体或成本高昂等局限。而在要求更为严苛的机械通气场景中，流量计还需具备优异的动态响应特性、低气流阻力，并能抵抗温度、湿度及气体成分变化的干扰，这使得许多传统技术难以胜任。

正是在这一背景下，发表在《IEEE Sensors Reviews》上的综述文章《Advancing Flow Rate Measurement: Innovations and Challenges in Spirometry and Mechanical Ventilation》对流量测量技术进行了全面梳理。文章由Vincenzo Saroli、Carlo Massaroni、Sergio Silvestri和Emiliano Schena（通讯作者）共同完成，他们来自意大利罗马生物医学大学校园大学（Università Campus Bio-Medico di Roma）工程系测量与生物医学仪器部门及相关的基金会医院。该研究旨在为临床和工程研究人员提供一份关于流量计技术发展、创新与挑战的清晰路线图。

为了系统阐述流量测量技术的现状与未来，研究人员主要运用了文献综述与案例分析的方法。他们深入分析了不同类型流量计的工作原理，并重点评估了其在肺功能检测和机械通气两大应用场景下的性能表现。此外，研究特别关注了3D打印（特别是熔融沉积建模FDM和立体光刻SLA）这一新兴制造技术在流量计原型开发、结构定制和成本控制方面的潜力，并探讨了如何将光纤布拉格光栅（FBG）、微机电系统（MEMS）压力传感器等新型传感元件集成到流量测量系统中。

研究结果部分，文章通过清晰的分类和对比，揭示了不同流量计技术的特性。

II. 传统流量计

文章首先将传统流量计分为用于肺功能检测和用于机械通气的两大类。

在肺功能检测（Spirometry）方面，文章分析了三种主要类型：

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  涡轮流量计（Turbine flowmeters）：其工作原理是基于气流驱动涡轮旋转，输出信号与流量呈线性关系，且能双向测量。但其涡轮存在惯性，在呼吸停止后可能继续旋转，导致测量误差，同时在低流量下灵敏度不足，且需要频繁校准。
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  电磁流量计（Electromagnetic flowmeters）：基于电磁感应定律，测量精度不受流体温度、粘度等参数影响，但致命缺点是要求被测流体必须具有导电性，因此不适用于测量空气，且制造成本高。
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  科里奥利流量计（Coriolis flowmeters）：利用科里奥利效应，直接测量质量流量（φ_M），精度高、响应快，且不受流体属性影响。但其结构复杂、体积庞大、成本高昂，且外部振动会影响测量精度。

在机械通气（Mechanical Ventilation）方面，文章重点介绍了四种满足临床高要求的流量计：

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  超声流量计（Ultrasonic flowmeters）：通过测量超声波在顺流和逆流方向上的传播时间差来推算流速。其优点是无活动部件、气流阻力小、动态响应好。缺点是成本较高、校准复杂，且测量精度不如某些其他技术。
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  热丝风速计（Hot-wire anemometers）：基于对流换热原理，通过维持热丝温度恒定或功率恒定，根据电流或电阻变化来测量流速。优点是灵敏度高（尤其在低流量下）、响应极快、体积小。缺点是传感器脆弱易损、校准曲线非线性，且不具固有的双向测量能力。
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  弗莱施呼吸速度描记器（Fleisch pneumotachographs）：基于哈根-泊肃叶定律，通过测量流体流经毛细管阵列或筛网产生的压差（ΔP）来计算流量。优点是线性输出、精度高、可双向测量。缺点是输出受气体成分和温度影响，且湿气冷凝会堵塞毛细管，影响精度。
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  固定/可变孔板流量计（Fixed or variable orifice flowmeters, VOM）：基于伯努利原理，通过测量流体流经孔板前后产生的压差来推算流量。固定孔板的输出与流量的平方成正比，非线性且低流量灵敏度差。可变孔板（VOM）采用柔性材料，能在不同流量下自动改变开孔大小，从而实现压差与流量的线性关系，兼具精度高、成本低、体积小等优点，但同样受气体密度（受温度影响）的影响。

III. 三维打印流量计

这一部分展示了3D打印技术如何为流量计设计带来革命性变化。文章通过几个典型案例说明了其应用：

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  Nepomuceno等人[65]的研究：利用FDM技术打印聚乳酸（PLA）导管，内部集成两根带有光纤布拉格光栅（FBG）的光纤，其中一个FBG（FBG_TF）感受气流引起的应变，另一个（FBG_T）置于金属针内仅感受温度，用于温度补偿，实现了高精度的双向肺功能测量。
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  Becerra等人[66]的研究：采用SLA技术打印树脂导管，制作基于文丘里效应的流量计，并使用由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氯化银（Ag/AgCl）电极构成的电容式传感器来检测压差，实现了双向呼吸流量监测。
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  Adamski等人[42]的研究：通过喷墨3D打印制作微流控文丘里管，并集成商用MEMS压力传感器，展示了其在微流量测量中的可行性。
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  Nunes等人[67]的研究：利用FDM打印PLA文丘里管，结合商用压差传感器和采集板，开发了一种低成本的家用肺功能计，其测量的用力肺活量（FVC）和一秒用力呼气容积（FEV₁）与标准体描仪结果高度相关。
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  Zulkifli等人[68]的研究：通过FDM打印PLA外壳，内部集成平面霍尔磁阻（PHMR）传感器和带有钕铁硼（NdFeB）磁铁的PDMS薄膜，当气流使薄膜变形引起磁场变化时，PHMR传感器输出相应电压，构成了一种线性、低滞后的气压传感器，可用于呼吸监测。

IV. 讨论与结论

文章在最后部分总结了当前流量测量技术面临的主要挑战与未来方向。首要问题是环境参数（尤其是温度）对流量计校准曲线的影响，这对于文丘里管、孔板流量计和呼吸速度描记器等依赖流体密度的设备尤为显著。在实际应用中，往往仅使用单一校准曲线，导致测量误差。虽然可通过附加温度传感器进行补偿，但也增加了系统复杂性。

3D打印技术为解决这些问题提供了新思路。它不仅能够实现流量计结构的快速、低成本原型制作和定制化，未来甚至有望直接打印具有导电功能的传感元件（如使用导电聚合物），从而实现包含温度补偿功能的完全集成化、低成本的流量计。此外，人工智能（AI）在分析呼吸流量模式、识别病理特征以及动态优化机械通气参数方面展现出巨大潜力。

综上所述，这篇综述清晰地表明，通过融合3D打印、新型传感器（如FBG、MEMS）以及人工智能等前沿技术，流量测量技术正朝着更精准、更智能、更普惠的方向发展。尽管在材料生物相容性、灭菌耐受性、机械强度以及满足医疗器械监管法规（如FDA、MDR、ISO 13485、ISO 10993）方面仍存在挑战，但这些创新无疑将为临床呼吸监测和呼吸支持治疗带来革命性的进步，特别是在资源有限的环境中，有望显著提升呼吸健康管理的可及性和质量。