胎儿肺成熟度羊水滴量仪的研制与应用
作者：刘鸿莲 王维国 苏承昌
单位：(刘鸿莲 苏承昌)华西医科大学 物教理研室，成都 610041；(王维国)华西医科大学 计算机中心，成都 610041
关键词：滴量法；表面活性物质；羊水；胎儿肺成熟度
生物医学工程学杂志990220
摘要 羊水滴量仪是根据羊水液体表面张力的大小与羊水中表面活性物质的浓度成反比的原理，采用比较法和光电计时计数法，测量羊水从滴管中滴落的液滴间隔时间，从而估算出胎儿的肺发育成熟度。该仪器对148例羊水进行了测试，并与生化法测试结果进行对照，其符合率达到93%。
Study and Application on the Device of the Drop Volume of
, 百拇医药
Amniotic Fluid in Estimating Fetal Lung Maturity
Liu Honglian Wang Weiguo Su Chengchang
Department of Physics, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041
Centre of Computer, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041
Abstract A novel device of drop volume of amniotic fluid has been made to estimate fetal lung maturity. The design of the device is based on the principle that the surface tension of amniotic fluid is inversely proportional to the quantity of surfactant in the solution. The device measures the falling time of fluid drops from drop-tube and estimates the fetal lung maturity by using the method of comparison and electric-optic timing-counting. 148 samples of amniotic fluid were measured by the device and the data were compared with those obtained by biochemical method. The results demonstrate that this device has high stability and accuracy, and the rate of agreement between the two methods is as high as 93%.
, 百拇医药
Key words Method of drop volume Surfactant Amniotic fluid Fetal lung maturity
溶液中表面活性物质的浓度直接影响表面张力的大小，溶液的表面张力随表面活性物质浓度的增加而降低。在医学上表面活性物质与呼吸生理有着重要关系[2]：肺泡细胞分泌出表面活性物质——卵磷脂等多种磷脂类物质以利于肺泡开放，气体交换，维持正常呼吸；否则，肺泡在弯曲液面表面张力的附加压强((4a)/(r))作用下，将使小肺泡不断缩小而大肺泡不断扩大，处于极不稳定的非常状态。新生儿肺泡内如果缺乏表面活性物质，则要引起呼吸困难综合征(RDS)，这是造成新生儿死亡的一个重要原因。所以测定肺成熟度即肺泡细胞分泌的表面活性物质的浓度是围产医学中的一个重要指标。
由于胎儿肺内液体与羊水相通，故羊水的成分可反映肺内液体的成分。在临床医学上广泛应用并一致公认的是用生物化学法测定羊水中表面活性物质卵磷脂与鞘磷脂的比值(L/S)来确定胎儿肺成熟度。但是，此项实验检测既繁琐又费时，普通基层医院不具备此项检测条件。然而，采用作者研制的羊水滴量仪则可简便、快捷、经济、准确地检测出胎儿的肺成熟度。
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1 原 理
根据羊水液体表面张力的大小直接与羊水中表面活性物质浓度成反比的原理[1]：表面活性物质浓度越高，表面张力就越小，反之亦然。
而液滴的滴量法是根据从滴管末端排出液滴的大小或滴间间隔时间—下面简称滴间时间来确定表面张力的大小。液滴越大，滴间时间越长，则表面张力越大，说明液滴的大小与表面张力成正比，也与滴间时间成正比。其原理可用图1说明。
(a)液滴形成初期; (b)液滴下落
(a)Initial drop; (b)Falling drop
图1 液滴形成
, 百拇医药 Fig 1 Formation of fluid drop
图1中，只要在被测液的试管内维持恒定压强，活塞就能把被测液从试管末端的毛细管开口处缓慢而均匀地推出。排出液附着在与毛细孔相通且垂直的完全浸润的底面上。液滴逐渐增大，如图1-a所示，当液滴增大到其所受重力超过液滴形成末端周界表面张力的一瞬间，液滴则落下，如图1-b所示。其关系可用下式说明。
mg=F (1)
而F=2παr，α为表面张力系数，r为液滴落下时断处半径。设液滴体积为V，则m=Vρ，ρ为液体密度，故(1)式改写为
Vρg=2παr (2)
可见液滴体积V与表面张力系数α成正比。设单位时间内活塞推出液体体积为Q，液滴形成的时间(即滴间时间)为T，则V=QT，代入(2)式得
, 百拇医药
T=2παr/Qρg (3)
由(3)式可知滴间时间T与表面张力系数α成正比。
依据上述关系我们研制出胎儿肺成熟度羊水滴量仪，采用对从滴管中滴落的羊水进行计时计数，检测出羊水滴落的滴间时间，并通过与标准液的滴间时间对照，就可鉴定出羊水中表面活性物质的浓度，找出胎儿肺发育成熟时滴间时间的分界值。我们通过148例羊水测试并与L/S比值的测定做对照，得出：滴间时间>85 s为肺发育不成熟值。≤85 s为肺发育成熟值。以滴间时间等于85 s为分界点，其准确率达93%。
2 仪器结构
我们设计的肺成熟度羊水滴量仪采用一套光电计时计数控制电路来检测羊水液滴的滴间时间，其示意图如图2所示。仪器由三大部分组成。(1)液体推进系统，(2)液滴形成滴管，(3)光电计时计数系统。现将各部分的作用简介如下：
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图2 滴量仪示意图
(a)推动系统；(b)滴管；(c)光电计时
Fig 2 Schematic diagram of the device
(a) Driving system；(b)Drop-tube；(c)Electric-optic fiming
2.1 液体推进系统
本仪器的动力部分，维持被测羊水滴管中压强恒定，控制被测液体从毛细孔中缓慢而均匀地排出，实现在相同时间内排出相同体积的液体量。
2.2 液滴形成滴管
采用玻璃滴管保证从毛细孔中排出的液体完全浸润在光滑的圆形底面上，使下落液滴的重量正好等于此时刻的表面张力。
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2.3 光电计时计数系统
用光电转换的方法对下落液滴进行自动计数、计时，从而得出滴间间隔时间。该系统又由七个单元组成，各单元的连接框图如图3所示。各单元作用如下：
图3 滴量仪原理方框图
Fig 3 Block diagram of the device
(1)光电转换：下落的羊水每中断光束一次就产生一个电脉冲，把羊水从滴管中落下的事件检测出来。用小电珠或红外发光管作光源，用光敏器件如光电池、光敏二级管接收信号，实现光电转换。
(2)取样放大：对光电检测信号进行选择放大。
(3)脉冲整形：把不规则的光电信号加以整形，可以通过单稳态触发器，RS触发器整形成为计数器所需的标准数字脉冲。
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(4)计数：对羊水滴落的滴数进行计数统计。接通电源要能自动清零，中途还可手动清零，以便扩大计数范围。
(5)计数控制：由于液滴形成及滴落过程比较缓慢，为了准确测得较慢信号的周期和频率，本仪器在计数控制时采用对指定脉冲个数进行计时的办法。首先通过预置数电路预置要测定的羊水滴落的滴数，则电路启动后计时秒表自动计下从第一滴羊水落下起到预置数最后一滴羊水落下止的总时间，并自动计算出滴间时间。
(6)计时驱动：把从计数控制送来的控制信号转换成继电器动作，从而使电子秒表准确启、停。电路接通秒表自动清零。
(7)自动计时：采用大液晶显示的电子秒表，可精确计时到0.01 s。电子秒表便于控制，且具有暂缓计时以利扩大计数量程的优点。
3 测量步骤与特点
将5 ml羊水加入清洁并烘干的滴管中，输入预置数(小于15滴)，启动电路后羊水均匀缓慢滴落，几分钟后光电计时计数系统自动停止并显示出预置数液滴下落的时间和滴间时间。检测方便、快捷，羊水还可重复测量、重复性好。
, 百拇医药
4 临床应用情况
羊水来源：通过临床羊膜腔穿刺取得148份清亮羊水，作为正常标本测定，其中18～30周(不成熟孕周)56份，36～42周(成熟孕周)78份，31～35周(临界孕周)14份，在作滴量法测量同时，进行L/S比值测定对照。
肺成熟分界点的确定：以临床上认可的生化测定值L/S≥2为肺成熟标准，根据滴量法测试结果，分别以滴间时间≤75、≤80、≤85、≤90、≤95 s为肺成熟分界点，计算各分界点的临床测定的敏感性、特异性和准确性(见表1)。
表1 各分界点的临床判断结果
Table 1 Clinical judgment of each point of demarcation Point of
demarcation(s)
, 百拇医药
Sensitivity
Specificity
Accuracy
≤75
100
54
77
≤80
95
77
84
≤85
95
, 百拇医药
91
93
≤90
57
99
81
≤95
25
100
62
从表1判断结果表明，以滴间时间≤85 s为分界点时其测定的敏感度为95%，特异性为91%，准确性为93%，故以滴间时间≤85 s为胎儿肺成熟度的分界点比较恰当。
5 结果讨论
, 百拇医药
以滴间时间≤85 s为分界点，得到羊水滴量法测定结果与孕周关系如表2，18～30孕周不成熟组的平均滴间时间为89 s，36～42孕周成熟组的平均滴间时间为72 s，差异有显著性P<0.001。31～35孕周临界组14例的平均滴间时间为81 s，其中13例与L/S值判断结果一致。一例33孕周羊水L/S比值=1.9而滴间时间为80 s，出现不符合，计算表明以滴间时间≤85 s为分界点时，其估计符合率为93%。不过值得注意的是，如果血清和胎粪污染了羊水，将使滴间时间减少，造成测量误差，可能会造成假阴性，故取样测量时应尽量减少污染。另外，液体表面张力系数随温度升高而减小，测试时应注意恒温，我们的测试是在20 ℃左右室温下进行的。
表2 羊水滴量法测定结果与孕周关系
Table 2 Relationship between pregnant week and measured result Pregnant week
, 百拇医药
No.of
cases
Falling time(s)
(x±s)
18～30(non-mature period)
56
89.0±12.3
31～35(critical)
14
81.4±9.9
6～42(mature period)
, http://www.100md.com
78
72.7±9.4
胎儿肺成熟度羊水滴量仪测定胎儿肺成熟度在围产医学中是一项全新的测量法，该仪器的研制填补了国内空白。在使用中我们还扩展该仪器光电计时计数部分的用途，如用于测量某些运动物体的转速、周期、频率或重复出现的平均间隔时间等，可见该光电计时计数装置在医学和物理上均存在着广泛应用的前景。
参考文献
1 Aberg A, Gislen L. Use of the drop volume of amniotic fluid in estimating the risk for respiratory distress syndrome in the newborn infant. Am J Obstetrics and Gynecol, 1986;154∶68
2 蒲力力.胎儿肺成熟度羊水测定在临床应用的进展.国外医学，妇产科学分册，1987；3∶132
收稿：1998-12-04 修回：1999-01-12, 百拇医药
单位：(刘鸿莲 苏承昌)华西医科大学 物教理研室，成都 610041；(王维国)华西医科大学 计算机中心，成都 610041
关键词：滴量法；表面活性物质；羊水；胎儿肺成熟度
生物医学工程学杂志990220
摘要 羊水滴量仪是根据羊水液体表面张力的大小与羊水中表面活性物质的浓度成反比的原理，采用比较法和光电计时计数法，测量羊水从滴管中滴落的液滴间隔时间，从而估算出胎儿的肺发育成熟度。该仪器对148例羊水进行了测试，并与生化法测试结果进行对照，其符合率达到93%。
Study and Application on the Device of the Drop Volume of
, 百拇医药
Amniotic Fluid in Estimating Fetal Lung Maturity
Liu Honglian Wang Weiguo Su Chengchang
Department of Physics, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041
Centre of Computer, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041
Abstract A novel device of drop volume of amniotic fluid has been made to estimate fetal lung maturity. The design of the device is based on the principle that the surface tension of amniotic fluid is inversely proportional to the quantity of surfactant in the solution. The device measures the falling time of fluid drops from drop-tube and estimates the fetal lung maturity by using the method of comparison and electric-optic timing-counting. 148 samples of amniotic fluid were measured by the device and the data were compared with those obtained by biochemical method. The results demonstrate that this device has high stability and accuracy, and the rate of agreement between the two methods is as high as 93%.
, 百拇医药
Key words Method of drop volume Surfactant Amniotic fluid Fetal lung maturity
溶液中表面活性物质的浓度直接影响表面张力的大小，溶液的表面张力随表面活性物质浓度的增加而降低。在医学上表面活性物质与呼吸生理有着重要关系[2]：肺泡细胞分泌出表面活性物质——卵磷脂等多种磷脂类物质以利于肺泡开放，气体交换，维持正常呼吸；否则，肺泡在弯曲液面表面张力的附加压强((4a)/(r))作用下，将使小肺泡不断缩小而大肺泡不断扩大，处于极不稳定的非常状态。新生儿肺泡内如果缺乏表面活性物质，则要引起呼吸困难综合征(RDS)，这是造成新生儿死亡的一个重要原因。所以测定肺成熟度即肺泡细胞分泌的表面活性物质的浓度是围产医学中的一个重要指标。
由于胎儿肺内液体与羊水相通，故羊水的成分可反映肺内液体的成分。在临床医学上广泛应用并一致公认的是用生物化学法测定羊水中表面活性物质卵磷脂与鞘磷脂的比值(L/S)来确定胎儿肺成熟度。但是，此项实验检测既繁琐又费时，普通基层医院不具备此项检测条件。然而，采用作者研制的羊水滴量仪则可简便、快捷、经济、准确地检测出胎儿的肺成熟度。
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1 原 理
根据羊水液体表面张力的大小直接与羊水中表面活性物质浓度成反比的原理[1]：表面活性物质浓度越高，表面张力就越小，反之亦然。
而液滴的滴量法是根据从滴管末端排出液滴的大小或滴间间隔时间—下面简称滴间时间来确定表面张力的大小。液滴越大，滴间时间越长，则表面张力越大，说明液滴的大小与表面张力成正比，也与滴间时间成正比。其原理可用图1说明。
(a)液滴形成初期; (b)液滴下落
(a)Initial drop; (b)Falling drop
图1 液滴形成
, 百拇医药 Fig 1 Formation of fluid drop
图1中，只要在被测液的试管内维持恒定压强，活塞就能把被测液从试管末端的毛细管开口处缓慢而均匀地推出。排出液附着在与毛细孔相通且垂直的完全浸润的底面上。液滴逐渐增大，如图1-a所示，当液滴增大到其所受重力超过液滴形成末端周界表面张力的一瞬间，液滴则落下，如图1-b所示。其关系可用下式说明。
mg=F (1)
而F=2παr，α为表面张力系数，r为液滴落下时断处半径。设液滴体积为V，则m=Vρ，ρ为液体密度，故(1)式改写为
Vρg=2παr (2)
可见液滴体积V与表面张力系数α成正比。设单位时间内活塞推出液体体积为Q，液滴形成的时间(即滴间时间)为T，则V=QT，代入(2)式得
, 百拇医药
T=2παr/Qρg (3)
由(3)式可知滴间时间T与表面张力系数α成正比。
依据上述关系我们研制出胎儿肺成熟度羊水滴量仪，采用对从滴管中滴落的羊水进行计时计数，检测出羊水滴落的滴间时间，并通过与标准液的滴间时间对照，就可鉴定出羊水中表面活性物质的浓度，找出胎儿肺发育成熟时滴间时间的分界值。我们通过148例羊水测试并与L/S比值的测定做对照，得出：滴间时间>85 s为肺发育不成熟值。≤85 s为肺发育成熟值。以滴间时间等于85 s为分界点，其准确率达93%。
2 仪器结构
我们设计的肺成熟度羊水滴量仪采用一套光电计时计数控制电路来检测羊水液滴的滴间时间，其示意图如图2所示。仪器由三大部分组成。(1)液体推进系统，(2)液滴形成滴管，(3)光电计时计数系统。现将各部分的作用简介如下：
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图2 滴量仪示意图
(a)推动系统；(b)滴管；(c)光电计时
Fig 2 Schematic diagram of the device
(a) Driving system；(b)Drop-tube；(c)Electric-optic fiming
2.1 液体推进系统
本仪器的动力部分，维持被测羊水滴管中压强恒定，控制被测液体从毛细孔中缓慢而均匀地排出，实现在相同时间内排出相同体积的液体量。
2.2 液滴形成滴管
采用玻璃滴管保证从毛细孔中排出的液体完全浸润在光滑的圆形底面上，使下落液滴的重量正好等于此时刻的表面张力。
, http://www.100md.com
2.3 光电计时计数系统
用光电转换的方法对下落液滴进行自动计数、计时，从而得出滴间间隔时间。该系统又由七个单元组成，各单元的连接框图如图3所示。各单元作用如下：
图3 滴量仪原理方框图
Fig 3 Block diagram of the device
(1)光电转换：下落的羊水每中断光束一次就产生一个电脉冲，把羊水从滴管中落下的事件检测出来。用小电珠或红外发光管作光源，用光敏器件如光电池、光敏二级管接收信号，实现光电转换。
(2)取样放大：对光电检测信号进行选择放大。
(3)脉冲整形：把不规则的光电信号加以整形，可以通过单稳态触发器，RS触发器整形成为计数器所需的标准数字脉冲。
, http://www.100md.com
(4)计数：对羊水滴落的滴数进行计数统计。接通电源要能自动清零，中途还可手动清零，以便扩大计数范围。
(5)计数控制：由于液滴形成及滴落过程比较缓慢，为了准确测得较慢信号的周期和频率，本仪器在计数控制时采用对指定脉冲个数进行计时的办法。首先通过预置数电路预置要测定的羊水滴落的滴数，则电路启动后计时秒表自动计下从第一滴羊水落下起到预置数最后一滴羊水落下止的总时间，并自动计算出滴间时间。
(6)计时驱动：把从计数控制送来的控制信号转换成继电器动作，从而使电子秒表准确启、停。电路接通秒表自动清零。
(7)自动计时：采用大液晶显示的电子秒表，可精确计时到0.01 s。电子秒表便于控制，且具有暂缓计时以利扩大计数量程的优点。
3 测量步骤与特点
将5 ml羊水加入清洁并烘干的滴管中，输入预置数(小于15滴)，启动电路后羊水均匀缓慢滴落，几分钟后光电计时计数系统自动停止并显示出预置数液滴下落的时间和滴间时间。检测方便、快捷，羊水还可重复测量、重复性好。
, 百拇医药
4 临床应用情况
羊水来源：通过临床羊膜腔穿刺取得148份清亮羊水，作为正常标本测定，其中18～30周(不成熟孕周)56份，36～42周(成熟孕周)78份，31～35周(临界孕周)14份，在作滴量法测量同时，进行L/S比值测定对照。
肺成熟分界点的确定：以临床上认可的生化测定值L/S≥2为肺成熟标准，根据滴量法测试结果，分别以滴间时间≤75、≤80、≤85、≤90、≤95 s为肺成熟分界点，计算各分界点的临床测定的敏感性、特异性和准确性(见表1)。
表1 各分界点的临床判断结果
Table 1 Clinical judgment of each point of demarcation Point of
demarcation(s)
, 百拇医药
Sensitivity
Specificity
Accuracy
≤75
100
54
77
≤80
95
77
84
≤85
95
, 百拇医药
91
93
≤90
57
99
81
≤95
25
100
62
从表1判断结果表明，以滴间时间≤85 s为分界点时其测定的敏感度为95%，特异性为91%，准确性为93%，故以滴间时间≤85 s为胎儿肺成熟度的分界点比较恰当。
5 结果讨论
, 百拇医药
以滴间时间≤85 s为分界点，得到羊水滴量法测定结果与孕周关系如表2，18～30孕周不成熟组的平均滴间时间为89 s，36～42孕周成熟组的平均滴间时间为72 s，差异有显著性P<0.001。31～35孕周临界组14例的平均滴间时间为81 s，其中13例与L/S值判断结果一致。一例33孕周羊水L/S比值=1.9而滴间时间为80 s，出现不符合，计算表明以滴间时间≤85 s为分界点时，其估计符合率为93%。不过值得注意的是，如果血清和胎粪污染了羊水，将使滴间时间减少，造成测量误差，可能会造成假阴性，故取样测量时应尽量减少污染。另外，液体表面张力系数随温度升高而减小，测试时应注意恒温，我们的测试是在20 ℃左右室温下进行的。
表2 羊水滴量法测定结果与孕周关系
Table 2 Relationship between pregnant week and measured result Pregnant week
, 百拇医药
No.of
cases
Falling time(s)
(x±s)
18～30(non-mature period)
56
89.0±12.3
31～35(critical)
14
81.4±9.9
6～42(mature period)
, http://www.100md.com
78
72.7±9.4
胎儿肺成熟度羊水滴量仪测定胎儿肺成熟度在围产医学中是一项全新的测量法，该仪器的研制填补了国内空白。在使用中我们还扩展该仪器光电计时计数部分的用途，如用于测量某些运动物体的转速、周期、频率或重复出现的平均间隔时间等，可见该光电计时计数装置在医学和物理上均存在着广泛应用的前景。
参考文献
1 Aberg A, Gislen L. Use of the drop volume of amniotic fluid in estimating the risk for respiratory distress syndrome in the newborn infant. Am J Obstetrics and Gynecol, 1986;154∶68
2 蒲力力.胎儿肺成熟度羊水测定在临床应用的进展.国外医学，妇产科学分册，1987；3∶132
收稿：1998-12-04 修回：1999-01-12, 百拇医药