第一节 呼吸机的测量技术
一、流量测量
（一）流量传感器的用途
中高档以上的呼吸机不但要求有吸入潮气量、分钟通气量和吸入峰值流量等参数的设置、监测和显示，也要求有呼出潮气量、呼出分钟通气量和呼出流量等呼出参数的监测功能，在设计上必须有流量传感器进行监测。
流量传感器在呼吸机中，有安装在机内气路系统减压之前的，有安装在流量阀（吸气阀）之后的（吸入输出口），也有安装在机外呼吸管道系统的远端或近端的。根据功能和设计要求不同，传感器的安装部位、数量和选择形式有所不同。如安装在机内气路系统减压之前的，氧气和空气分别检测，除了可以测量流量、容量外，还可以作为氧浓度的控制信号。
除安装在呼吸机内部的吸入压差式流量传感器外，外围有近端和远端两种形式，近端型一般采用有机材料制作，多为一人次使用，工艺简单，或采用没有感应片的设计。安装检测位置在靠近患者插管或气切套管处，分泌物较多时容易受影响。远端型的安装在呼气管道回路的末端，可以配置过滤器保护，制造上一般为耐用型的铝合金或有机材料。
有的呼吸机还在呼气回路上（或呼出阀上）增加了呼出气流加热功能，用于减少呼出气体中的水汽冷凝聚集，保护呼出端流量传感器，延长流量传感器的使用寿命。
（二）流量传感器的种类
1.压差式流量传感器
压差式流量传感器是通过两个测压孔和专门的孔板、流量喷嘴和文丘里管等限流装置产生与流量有关的压降，用压力传感器检测压降，依据贝努利定律和质量守恒原理换算出流量。此类传感器在很低的流量范围，检测曲线呈非线性，部分厂家根据检测范围需要配置软件校正，从而将使用范围提高。因为呼吸机送气和患者呼吸流量范围较低，尤其是婴幼儿，所以部分呼吸机在限流装置上还安装了限流片。
压差式流量传感器日常使用时要求检测孔向上，以免呼吸管道中的冷凝水进入里面，影响测量精度。另外，湿化器设置的温度要合适，如果湿化过度，导致限流片上的冷凝水过多，也会影响测量精度。
耐用型的压差式流量传感器的清洁和消毒，可采用浸泡、气体熏蒸或高温的方式。冲洗传感器时，水流不要太大，以免限流片变形。
2.压力应变感应式流量传感器
在呼吸回路中分出一个很小的并行支气流，在支气路中安装一个薄金属片，金属片固定在一根另外一端固定的连杆上，在金属片和连杆之间安装一个压力应变检测器。当气流吹向金属片时，连杆摆动，应变检测器输出一个与摆动幅度呈正比的电信号。由此换算出气流的大小。
压力应变感应式流量传感器由于用于测量的支气流的通道较小，容易受呼吸分泌或杂质影响，被脏物堵住，使用时尽量加上过滤器，并定期用酒精浸泡清洁和消毒，并自然晾干后使用。
3.热丝式流量传感器（晶体热膜式流量速传感器）
呼吸机对热丝（或热膜）提供足够的电流，使热丝（或热膜）的温度保持恒定，当气流流过时，热丝（或热膜）的温度下降，呼吸机就立即加大提供给热丝（或热膜）的电流，以保持其温度的恒定。通过电流与气流之间的对应关系计算出气流的流量。
热丝式流量传感器使用时，安装在远端的最好使用细菌过滤器，可以保证检测精度和延长热丝使用的寿命，耐用型设计的可以气体、液体或高温消毒即采用浸泡、熏蒸、高温的方式消毒。但液体清洁和消毒要轻轻浸泡，不要在液体中大力摇晃，以免损坏热丝。
4.超声波式流量传感器
超声波式流量传感器有超声时差法和超声多普勒法两种。
时差法是利用超声波在不同速度的气流中传播速度不相同的原理，通过测量超声波在气流中的传播速度的变化，来推断出气流的速度。
多普勒法是利用超声波在不同速度的气流中所产生的多普勒频移不相同的原理，通过测量超声波在气流中产生的多普勒频移，来推断出气流的速度。
超声波式流量传感器清洁较简单，可采用浸泡、熏蒸的方式消毒，有的也可用高温消毒。冲洗和消毒时，注意传感器的电信号接口不能有水，以免短路。清洁时注意不要用力撞击，以免影响晶体。
超声波式流量传感器的主要缺点是造价成本高， 目前已使用较少，只能在早期的西门子呼吸机上看到。
二、压力测量
（一）压力的测量方法
1.气体压力的测量方法
（1）绝对压力的测量：绝对压力指的是对应于真空，所测量到的压力。
（2）差压力的测量：差压力是指两个压力源之间的压力差值。
（3）表压力的测量：表压力是指对应于当地大气压力，所测量的压力。
2.压力传感器的分类
如同压力的测量可以分成三类一样，压力转换器也可分为三类：
（1）绝对压力传感器：包含有参考真空，以测量压力源或环境的绝对压力。
（2）差压力传感器：测量两个压力源之间的压力差。
（3）表压力传感器：它也是一种差压力转换器，但是，其压力源一个为当地大气压力，另一个则为待测的压力源。
（二）压力传感器的原理
压力传感器由敏感元件、转换元件和处理电路几部分组成，共同完成“压力→位移量→电压变化”的测量过程。也称为压阻式压力传感器，又称为固态压力传感器。对于气体压力的测量，可以使用各种不同的压力传感器。
敏感元件将外部的待测压力，首先转换成机械位移（通常称为压力位移），压力位移引起通过敏感元件的电阻的变化，将机械压力变化量转换成了电压的变化量。电压的变化量通过转换元件和处理电路，进行校准、补偿和放大后，输出与压力成比例的电信号，从而完成了传感器将压力转换成电信号的过程。(www.xing528.com)
（三）呼吸机常用压力传感器的种类
1.扩散硅压力传感器
扩散硅压力传感器采用在硅片上注入粒子，形成惠斯通电桥形式的压敏电阻。被测压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量1kPa到40MPa的压力范围。一般情况下，扩散硅传感器分为带隔离膜片和非隔离膜片两种，非隔离膜片只能测量干净的气体，隔离膜片为软性膜片和刚性膜片，适合测量各种类型的介质。
2.陶瓷压力传感器
测量时压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥）。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压成正比的电压信号。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性。传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。可以和应变式传感器相兼容。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程℃度超过2kV，输出信号强，长期稳定性好。
在结构上，陶瓷压力传感器将压敏电阻以惠斯通电桥形式，与陶瓷烧结在一起。其过载能力较应变片低一些，抗冲击压力较差，但灵敏度较高，适合测量50kPa以上的高量程范围，而且耐腐蚀，温度范围也很宽。
高特性、低价格的陶瓷传感器，是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其他类型传感器的趋势，在我国也有越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
（四）压力传感器在呼吸机中的应用
1.压力传感器的功能
压力传感器在呼吸设备中扮演着重要角色，呼吸机通过压力传感器，时刻监测病人呼吸时的气道压力变化，来控制呼吸机与患者呼吸的同步。
压力传感器的功能是将物理值（例如气道压力等压力信号）转换成电信号（差动信号），分为动态和静态两种。高频压力传感器以压电式为主，低频和静态压力传感器以硅压阻、应变式为主，呼吸机通常使用硅压阻式压力传感器。呼吸机应该选择能以很低的速率来感应差分压力的传感器，应能测量病人呼吸的峰值、或者吸气和呼气之间的转折点。
2.压力传感器的特点
现代呼吸机通常使用电子传感器，是一种固体集成的硅压阻式压力传感器，如美国霍尼韦尔（Honeywell）公司的产品。这是一种高精度的线性压力传感器，结合了先进的压力传感器技术与数字信号处理技术，具有信号放大、校准和温度补偿功能，经过多级的压力非线性修正，直接输出经放大校准和补偿的模拟信号。传感器有表压、差压和绝对压3种测量形式。有微压、低压、高压等量程，其中的微差压、低压力传感器，是呼吸机中压力传感器的最佳选择。
GE公司专门为呼吸机等最重要设备的压力监测，开发了Nova NPA系列压力传感器。相对于目前市场上的普通传感器，NPA压力传感器尺寸小巧，在提高精度和可靠性的同时，能够有效降低呼吸机的成本，提高其工作效率。
三、氧浓度测量
氧浓度传感器（Oxygen sensor）一般称氧电池、氧探头，实质上是一种电化学传感器。它的工作原理为：被测混合气体中的氧分子，穿过传感器的膜后，将金属电极氧化，产生与氧化反应的程度成比例的电流，该电流经放大后输出，输出电流的大小与氧浓度呈正比。因此，氧电池是一种消耗品，使用寿命通常为 1～2年。如果长期使用高氧浓度，氧电池的寿命会缩短。没有使用的氧电池，应与空气隔绝，否则，氧电池接触氧分子后会自然消耗。
氧电池采用电化学原理，测量混合气体中的氧浓度，测量范围为：0%～100%。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。
呼吸机上的氧电池位置，一般都在患者吸气端与空氧混合器之间，对输出氧浓度做最后测量。如MAQUET Serv-i呼吸机的气路系统为：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后，按计算值将气体送至混合腔，混合腔内有混合瓣搅动气流，使空气、氧气充分混合，再经氧电池测量实际的氧浓度后，送出供患者吸气。
目前有些呼吸机根据超声在不同气体中的传播速度不同的原理，采用超声技术来监测吸入氧浓度，这种超声传感器就可以“永久”使用，不会消耗。
四、二氧化碳测量
（一）CO2测量原理
呼吸机可以增加呼出气CO2监测模块，进行无创的、持续的肺泡二氧化碳浓度的测量，描记出二氧化碳浓度的时间变化曲线。目前常用的测量方法是红外线吸收法。
具有两个以上不同元素的气体分子，如CO2等，具有特定的红外线吸收光谱，吸光度与吸光物质的浓度成比例，即特定红外线透射强度与气体含量成反比。CO2测量通常采用4.3μm波长的红外线。它利用CO2对红外线的吸收特性，来连续测定呼出气体中的CO2的浓度。
如果需要换算成二氧化碳分压，则仪器须同时测量环境大气压，因为二氧化碳浓度和分压的换算与环境大气压有关。
（二）CO2测量的方法
1.传感器工作方法
红外线吸收法的具体测量方法，是由一个红外光源发出红外线，穿过测量气体，经特制的滤光片消除杂光干扰后，红外线到达对侧的光电传感器。红外线在光电传感器上产生的电流大小，与被检测气体的浓度呈正比。因此，传感器输出的电信号就是二氧化碳浓度的函数。
2.气体采样方法
根据气体的采样方式，可分为主流法（直接法）和侧流法（旁流法）两种。目前应用最普遍的是侧流法。
（1）主流法
主流法是直接将传感器放置在主呼吸通道中进行测量，如Y形接头与气管导管之间。分为成人和小儿两种传感器，小儿传感器适用于30kg体重以下的患者。
主流法主要用于呼气末二氧化碳的监测，反应速度快，可以实时监测每次呼气末的二氧化碳浓度，描记出浓度曲线。由于传感器位置接近患者气道，容易受到水汽和分泌物的污染，严重影响测量精度。为了排除水汽干扰，传感器配有恒温加热功能，需要一定的预热时间。
（2）侧流法
侧流法（间接法）是用吸气泵通过采样管，连续将气体从气管导管末端吸入机器内进行测量，传感器位于机器内，采样速率为60～200ml/min。
传感器位于机器内部，工作环境稳定，有利于精确测量，但采样气体要经过较长的采样管才能达到传感器，有一定的时间延迟。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
