呼吸机原理介绍

引言呼吸机是实施机械通气的工具，目前已广泛应用于麻醉和ICU中,改善病人的氧合和通气,减少呼吸作功,支持呼吸和循环功能,以及进行呼吸衰竭的治疗。早在1796年,有报道应用人工呼吸方法使溺水患者获救,1929年自动铁肺研制成功。第二次世界大战前后人们逐渐了解机械通气的原理，并用于心胸外科手术后呼吸支持。呼吸机的消毒和保养呼吸机一、呼吸机的分类按控制方式分类电动电控型呼吸机，如SC5及Savina气动气控型呼吸机，如O-TWO吉斯II气动电控型呼吸机，如Evita成人呼吸机、婴儿和新生儿呼吸机、辅助呼吸或治疗用呼吸机、麻醉呼吸机、携带式急救呼吸机、高频正压呼吸机按用途分类一、呼吸机的分类—功能要求监测：气道压力、频率、潮气量、通气量、吸入氧浓度等报警：气道高低压、吸入氧浓度、断电断气报警监测及报警工作特点潮气量：10～20ml用于婴儿50～500ml用于儿童200～2000ml用于成人吸呼比：1:1～1:4频率：0～60bpm可调的吸气流速：成人最高达150L/min具有常用的通气模式：A/C、SIMV等指令通气二、呼吸机的基本结构①气源。②供气和驱动装置。③空氧混合器。④控制部分。⑤呼气部分。⑥监测报警系统。⑦呼吸回路。⑧湿化和雾化装置。呼吸机原理示意图驱动力供气装置气体输出驱动装置简单示意图二、呼吸机的基本结构下面主要介绍一下驱动装置(或通气源)和控制系统绝大多数呼吸机需高压氧和高压空气。氧气源可来自中心供氧系统，也可用氧气钢筒。高压空气可来自中心供气系统，或使用医用空气压缩机。氧气和压缩空气的输出压力不应大于0.5MPa，因此，使用中心供氧、中心供气，或高压氧气钢筒，均应装配减压和调压装置。医用空气压缩机可提供干燥和清洁的冷空气；供气量为55～64L/min的连续气流，最大输出连续气流120L/1.5s,工作压力50PSI(3.4kg/cm2)。1、气源采用橡胶折叠气囊时，呼吸机的自身顺应性较大，除本身的弹性原因外，还不能完全使折叠囊中的气体压出。但折叠囊更换容易，成本低，无泄漏，当作为麻醉呼吸机时有独特的优越性。采用气缸作为供气装置时，呼吸机自身顺应性小，可使气缸内的气体绝大部分被压出，但密封环处可能有少量泄漏。近来有采用滚膜式气缸作为供气装置，兼有上述二种优点，且无泄漏，顺应性小。供气装置的作用是提供吸气压力，让病人吸入一定量的吸气潮气量，并提供不同吸入氧浓度的新鲜气体。2、供气装置可调式减压阀为目前应用较多的一种驱动方式。它是指通过减压通气阀装置将来源于贮气钢筒、中心气站或压缩泵中的高压气体转化成供呼吸机通气用的压力较低的驱动气。使用气动驱动装置的呼吸机常称为气动呼吸机。电动呼吸机采用电动机作为动力，通过电动马达快速恒定旋转，带动横杆向前运动，推动活塞腔中的气体排出，产生一个恒定恒速驱动气流；另一种非线性驱动活塞是电动马达使轮盘旋转，带动连杆运动而推动活塞。采用电动机驱动装置的呼吸机常称为电动呼吸机。驱动装置的作用是提供通气驱动力，使呼吸机产生吸气压力3、驱动装置气动呼吸机驱动装置的作用是提供通气驱动力，使呼吸机产生吸气压力驱动装置减压阀驱动驱动装置580呼吸机减压阀驱动装置的作用是提供通气驱动力，使呼吸机产生吸气压力驱动装置非线性活塞驱动驱动装置Savina呼吸机内置涡轮空压机(1)简单的空氧混合装置工作原理：一定流量的氧气经入口先进贮气囊内，当贮气囊被定向抽气时，空气也从入口经管道抽入贮气囊内，从而实现空氧的混合。要达到预定的氧浓度，则通过调节氧输入量来取得。氧浓度计算：气流量=每分钟通气量×(混合气氧浓度-20%)/80%。例如要求混合气氧浓度达到40%，当分钟通气量为10L时，其输入氧浓度的计算方式，即为：氧流量=10×(40%－20%)/80%=2.5L/min。上述计算表明，当分钟通气量为10L时以2.5L/min的纯氧流量，即可获得含40%氧混合气(FIO2=0.4)。4、空氧混合装置(2)空氧混合器工作原理：通常由一级或二级压力平衡阀、配比阀等组成。当压缩空气和氧气输入平衡阀时，由于这两种输入气体的压力不相等，所以同轴阀蕊将向压力低的一方偏移，造成压力低的一端气阻小，降压也小。而压力高的一端气阻大，降压也大。配比阀实际上是同一轴上的两只可变气阻，当一只气阻减小时，另一只气阻增大。来自前级的等压力进入配比阀后由于受到的气阻不同，所以流入贮气罐的流量也不同(流量=压力/气阻)。氧浓度计算：如果流入贮气罐的空气流量为7.5L/min，流入的氧流量是2.5L/min，则混合后的氧浓=(2.5+7.5×20%)/(7.5+2.5)=40%。4、空氧混合装置580呼吸机空氧混合装置4、空氧混合装置气控：呼吸机无需电源，在某种特定的环境很有必要。它的特点是精度不够高，难以实现较复杂的功能，一般可作一些简单控制。随着器件的低功耗化，以及高性能蓄电池的出现，气控方式有被逐渐淘汰的可能。电控：是用模拟电路和逻辑电路构成的控制电路来驱动和控制电动机、电磁阀等电子装置的呼吸机，称为电控型呼吸机。电控型呼吸机控制的参数精度高，可实现各种通气方式。吸呼比由气控呼吸机较难实现，而电控型十分容易，还有同步、压力报警功能等均是如此。控制部分是呼吸机的关键组成部分。根据控制原理不同，可将控制部件分为两大种：气控、电控5、控制系统Drager的Savina呼吸机呼吸机原理分析举例原理分析举例-Drager的Savina呼吸机Savina呼吸机特点：1．内置涡轮式空压机；2．一体化界面，呼吸波形及监测参数可同时显示；3．BIPAP和Autoflow功能，允许病人在任何时候都可以自由呼吸，解决了人机对抗问题。4．全自动定标及自检方式，并具有漏气补偿功能5．内置和外置充电电池，可以使机器在无任何外在动力情况下使用7小时。原理分析举例-Drager的Savina呼吸机高速运转的涡轮机产生压缩空气，平衡控制阀按预设置参数做相应调整，氧传感器、流量传感器、压力传感器等对气路的各项指标进行检测。Savina呼吸机使用二个分离的氧传感器，一个用于氧的控制和显示，一个用于氧监测，Savina呼吸机可自动标定用于氧的控制和显示的传感器，用于氧监测的氧传感器必须人工标定（每月一次，或出现氧监测失灵时）。原理分析举例-Drager的Savina呼吸机Savina内部结构图Savina流量传感器原理分析举例-Drager的Savina呼吸机Savina主控板Savina显示板开始结束起动(initiating)是指使呼吸机开始送气的驱动方式。起动有3种方式：时间起动、压力起动和流量起动。时间起动用于控制通气，压力和流量起动用于辅助通气起动限定切换5、控制系统－控制方式开始结束理想的呼吸机触发机制应十分灵敏，可通过两个参数来评价，即灵敏度和反应时间(responsetime)。灵敏度反映了病人自主吸气触发呼吸机的作功大小。衡量灵敏度的一个指标为敏感百分比，敏感百分比=触发吸气量/自主潮气量x100%。理想的敏感百分比应小于1%，一般成人呼吸机的触发吸气量为0.5ml。小儿呼吸机则更低。起动限定切换控制方式－起动开始结束限定(limited)有3种方式：①容量限定：预设潮气量。通过改变流量、压力和时间三个变量来输送潮气量。②压力限定：预设气道压力，通过改变流量、容量和时间三个变量来维持回路内压力。③流速限定：预设流速。通过改变压力、容量和时间三个变量来达到预设的流速。起动限定切换控制方式－限定开始结束切换(cycling)指呼吸机由吸气期转换成呼气期的方式。有4种切换方式：①时间切换：达到预设的吸气时间，即停止送气，转回呼气。②容量切换：当预设的潮气量送入肺后，即转向呼气。③流速切换：当吸气流速降低到一定程度后，即转向呼气(PSV模式即采用此种切换模式)。④压力切换：当吸气压力达到预定值后，即转向呼气。起动限定切换控制方式－切换呼气部分主要作用是配合呼吸机作呼吸动作打开：呼气期；关闭：①吸气期，使呼吸机提供的气体能全部供给病人；②在吸气末，呼气阀仍可以继续关闭，使之屏气；③当气道压力低于PEEP时，呼气部分必须关闭，维持PEEP。主要有三种功能阀，如呼气阀、PEEP阀、呼气单向阀，也可由一个或两个阀完成上述三种功能。6、呼气部分常见呼气阀有电磁阀、气鼓阀、鱼嘴活瓣(兼有吸气单向阀功能)、电磁比例阀、剪刀阀。鱼嘴活瓣常在简单型呼吸机中采用，因为它兼有吸气单向阀的功能。电磁比例阀是通过控制线圈中的电流来控制呼气阀的开与关，可作为压力限制阀和PEEP阀，其反应时间快，性能良好，可开环控制，故十分方便6、呼气部分呼吸机监测报警系统的作用有两个方面，一是监测病人的呼吸状况，二是监测呼吸机的功能状况呼吸机常配有的监测报警装置有如下两个方面。压力监测报警：气道压力上限报警、气道压力下限报警、PEEP上下限报警、气源压力报警等，通过压力传感器监测流量监测报警：潮气量或分钟通气量报警。通过流量传感器监测。7、监测报警系统三、通气模式随着对各种类型呼吸衰竭发病机制，病理生理认识的不断深化，以及呼吸机技术的进步，机械通气模式越来越多。第一阶段：定压型呼吸机，二十世纪四、五十年代，广泛使用；第二阶段：定容型呼吸机，取代定压型呼吸机；第三阶段：压力预置(容量调节)型，二十世纪八十年代末，由于微电脑技术的应用，压力预置(容量调节)型通气模式随即产生。三、通气模式1、定压型呼吸机：呼吸机在吸气相产生气流，进入呼吸道，使肺泡扩张，随着气道压力不断升高，当达到某个预定值时，呼吸机停止送气，开始呼气。该类呼吸机技术上存在缺陷，不能提供稳定的潮气量，同时因监测技术落后，不能保证稳定的通气。故定压型呼吸机渐被定容型呼吸机取代。三、通气模式2、定容型呼吸机：吸气时呼吸机产生气流，送入气道，使肺泡扩张；当预定的潮气量输送完毕，呼吸机停止送气，开始呼气。定容型呼吸机的优点是能够提供稳定的潮气量，保证通气稳定。其缺点是当病人顺应性下降时，气道压力升高，甚至可产生气压伤。三、通气模式3、压力预置(容量调节)型二十世纪八十年代末，由于微电脑技术的应用，压力预置(容量调节)型通气模式随即产生。由于吸气流量的精确变化，保证预设气道压力得到有效控制。同时因有完善的监测和报警系统，压力预置型通气模式得到广泛的承认。容压量力预预置置机械辅助呼吸机械控制通气间歇指令通气压力控制通气反比通气三、通气模式分钟指令通气压力支持通气持续气道正压通气机械控制通气CMV是临床出现最早，应用最普遍的通气模式，也是目前机械通气最基本的通气模式。CMV是时间起动、容量限定、容量或时间切换。在吸气时由呼吸机产生正压，将预设容量的气体送入肺内，气道压力升高；呼气时肺内气体靠胸肺弹性回缩，排出体外，气道压力回复至零。CMV时若PEEP=0，又称为间歇正压通气IPPV。若PEEP0，则称为持续正压通气CPPV。1、机械控制通气容量时间波形由于在下一次吸气前，呼出潮气量已经归零，因此适当的加大呼吸频率不会引发气体陷闭。容控模式和压控模式在压力时间波形上的对比压力时间波形机械辅助呼吸AMV辅助/控制呼吸A/C是一种压力或流量起动、容量限定、容量切换的通气方式。同步间歇指令通气SIMV实际上是自主呼吸和控制呼吸的结合,在自主呼吸的基础上,给病人有规律地和间歇地触发指令潮气量。SIMV主要用于脱机前的训练和过度，也可用于一般的常规通气2、机械辅助通气A/C模式呼吸波形吸气阶段触发同步间歇指令通气(synchronizedintermittentmandatoryventilation,SIMV)特点1：两次指令通气之间允许患者自主呼吸特点2：触发时间窗的设计2、机械辅助通气SIMV模式呼吸波形自主呼吸触发压力控制通气PCV是时间切换压力控制模式。它的特点是气道压力迅速上升到预设峰压，后接一个递减