呼吸机呼吸技术应用与维修

第二节　呼吸机的呼吸技术

一、吸气阀技术

（一）气动呼吸机的送气技术

目前常用的电控气动呼吸机给患者送气的方式，归纳起来共有3种：

1.持续气流送气

持续气流（continuous flow）送气方式用于婴儿呼吸机，在整个呼吸周期，管路中持续存在一定流量的气流，吸气时，部分气流被吸入肺内，没有吸入的气流（包括呼气相的气流）从呼气阀排出。

这种持续气流方式，由于气道阻力很低，因此一些成人呼吸机的CPAP模式和SIMV的自主呼吸部分，仍然采用持续气流方式。具体方式是，当呼吸机进行指令通气时，持续气流关闭，吸气阀开放，按设定模式（如SIMV）进行通气。指令通气结束，则持续气流开放，供自主呼吸使用。

2.按需阀送气

按需阀是常用的送气方式，它只有开放和关闭两种状态，呼吸机送气时，吸气阀开放，呼气阀关闭，送出潮气量进入肺内。呼气时，吸气阀关闭，呼气阀开放，气体排出体外。

按需阀的优点是密闭性好，潮气量控制精确。缺点是阀门开放需要克服一定的阻力，会延迟触发时间，降低同步性。随着按需阀质量的提高，其阻力减小，开放速度加快，延迟时间缩短，大大缩短了呼吸机的反应时间，提高了同步性。

3.伺服阀送气

伺服阀的送气方式结合了按需阀和持续气流两种方式的特点，吸气阀和呼气阀在整个呼吸周期，都保持一定程度的开放。送气时，吸气阀充分开放，呼气阀少量开放，形成气道压力，按照设定的通气模式给患者送气。呼气时，吸气阀少量开放，呼气阀快速充分开放，气体从呼气阀排出。呼气相后期，呼吸管道内只保持一定水平的持续气流，供患者自主呼吸时吸入。屏气时，吸气阀和呼气阀都只是少量开放，进气和排气的流量相等，形成恒定的气道压力。

吸气阀开放速度快，则触发阻力低，人机同步性好。呼气阀开放速度快，则呼气阻力低。目前有部分呼吸机采用了伺服阀的送气方式。

（二）吸气阀的种类

吸气阀是呼吸机的核心，是决定呼吸机性能和档次的重要标准，也决定了机器的功能扩展能力，即使有的呼吸机现有的功能比较少，但如果吸气阀用得好，缺少的功能就容易通过升级的方式补上。

对吸气阀的性能要求主要是控制精确和响应快（延迟短）。吸气阀的种类主要有：

1.直通吸气阀（按需阀）

只有通和断两种状态，通过控制电磁阀通气的时间来间接控制流量，对电磁阀的开放量不可调节，控制不够灵活。常见的有简单的直通电磁阀。

2.可调节吸气阀（伺服阀）

（1）剪刀阀：Siemens 90℃用。由步进电机驱动与固定臂一起夹着硅橡胶管的活动臂，通过控制活动臂的移动量，来控制硅橡胶管的通气截面的大小，从而控制通过管内的气体量。

（2）步进电机。

（3）比例电磁阀或双比例电磁阀。

（三）比例电磁阀

1.比例电磁阀的工作原理

比例控制是闭环控制系统的一种，即输出变量的变化与反馈信号的变化成比例关系（正比或反比）。比例流量控制，是指在气路控制系统中的气体压力和温度不变的前提下，对气路控制系统施加变化的电流（输入变量），从而改变气路的孔径，使气体的流量（输出变量）与电流（输入变量）的变化呈比例关系。

比例流量控制技术是流体力学中最具有挑战性的领域之一， 目前仍然有现有技术不能克服的难题有待研究。

比例电磁阀（Proportional Solenoid Valve）是实现比例流量控制的执行元件，它的工作原理是：控制计算机根据气体的各种释放要求，对电磁阀提供不同的电流，来控制电磁阀的开口的大小，从而控制通过电磁阀的气流的流量。

比例电磁阀实例：Dräger Evita呼吸机的红宝石阀（HPSV）。呼吸机的气体混合器是一套快速的、电子控制的比例阀，包含两个分别控制氧气和空气流量的，带有位移传感器的高压伺服阀（红宝石阀，HPSV），以及两个供气压力传感器。在吸气过程中，控制电流供应给高压伺服阀内的线圈，通过活塞的运动将阀球从阀座拉起，使阀球与阀座之间形成一个环形沟，让气体从阀里流过供应给患者。环形沟和供气压力的大小共同决定了气体的流量。在呼气过程中，供应的气体存留在高压伺服阀和压力传感器中，阀球被压进阀座里，使阀关闭。在阀里没有任何测量气体流量的器件，它是通过位移测量系统，对活塞的位移量进行测量得到位移信号，通过供气压力传感器测量供气压力。高压伺服阀控制电路根据测量到的位移信号和供气压力这两个参数，产生相应的控制电流，来精确控制活塞的运动，使患者得到准确的潮气量供应。

2.比例电磁阀的功能

呼吸机上的比例电磁阀作为吸气阀使用，在空氧混合和精确的气体释放两个方面具有重要作用，是现代呼吸机的发展趋势。

3.双比例电磁阀

目前有的呼吸机采用双级比例电磁阀。第一级完成精确的空氧混合，即根据所设定的氧浓度的要求，首先形成高压混合气体。第二级完成精确的通气释放，即根据所设定的通气模式的要求，形成各种波形的气体输出。

4.比例流量控制技术

在呼吸机和麻醉机中，采用的比例流量控制技术多为通过某单一阀门或某一阀组完成。

（1）单一比例流量阀

①Microprop微型比例阀：诺冠公司在20世纪70年代就开始销售（由诺冠子公司FAS开发）。体积很小，一经推出就以其卓越的性能赢得了客户的信赖：15ms的响应时间、1W的功耗、1亿次的工作寿命、3.6mm的大通径（高流量）、更小的迟滞效应（6%）。(www.xing528.com)

②Flatprop微型比例阀：20世纪伊始，诺冠公司推出的新一代产品，其性能更优越：10ms的响应时间、2.5W的功耗、1亿次的工作寿命、4.5mm的大通径（高流量）、更小的迟滞效应（<5%）。该阀采用了“压力平衡”技术设计，消除了膜片（即阀芯）两侧的流体压力差，使在阀门开启时只需对抗弹簧的阻力，使比例调节更精确。

③Chipprop微型比例阀：在2006年年底，诺冠公司在其原有的8mm微型阀Chipsol的平台上开发出微型比例流量阀Chipprop，其性能可以满足任何一款对体积和流量要求极其苛刻的呼吸机：8mm外径、5ms的响应时间、1W的功耗、1亿次的工作寿命、1mm的通径、更小的迟滞效应（5%）。

（2）比例流量阀组

①琴键阀（组）：又称为配比阀组，或数字比例阀，由一组不同的流量固定的常闭阀组合而成，通过打开某个阀或某些阀来达到某种流量。由于其动作犹如钢琴琴键般组合，故称其为琴键阀。其优点是反应时间快，流量变化曲线是方波，没有缓慢递增或递减过程，流量控制精确。可以用于开环控制的急救呼吸机或婴幼儿呼吸机。

②线性电机：通过线性电机控制某一执行元件（锥体、膜或套管）作线性运动，改变流体通路的通径（常常是呈锥形的孔，或楔形的裂隙），从而改变流量。

该装置的优点是：行程长，通径大，压力低。可以用于PEEP（呼气末正压通气）、 CPAP（持续气道正压通气）、BiPAP（双相持续气道正压通气）等。

缺点是：控制精度差、整个行程中两端的线性不好、流量不稳定（波动或漂移）。

二、呼气阀技术

（一）呼气阀的种类

呼气阀分为被动呼气阀和主动呼气阀两大类。传统的蘑菇阀、机械弹簧阀等弹力呼气阀属于被动呼气阀，呼气时需要用呼出气流的压力来克服阀针或阀片的弹性阻力，阀门才能打开，实现呼气。而电动阀、气动阀则是主动呼气阀，由机器控制和驱动打开，不需要克服阀门阻力，如剪刀阀、直线电机和悬浮电磁阀。气动呼气阀使用气动活瓣，仍然需要克服一定的呼气阻力和时间延迟，但阻力已经很小，延迟时间也很短，所以也应属于主动呼气阀。

（二）主动呼气阀的用途

现代高档呼吸机多使用主动呼气阀，它的目的是尽可能保持患者的自主呼吸，减少人机对抗。机器采用主动呼气阀后，在吸气相和呼气相都可实现主观控制。机器通过软件在整个呼吸过程中，主动精确控制呼气阀的动作和定位，可使机器能够精确输送气体和释放气体，最大限度地减少压力过冲，精确控制PEEP，释放过度压力。

（三）悬浮电磁式呼气阀（电磁感应式呼气阀）

这是最常见的主动呼气阀，属于电动呼气阀的范围。主动呼气阀允许在吸气相中完成主动性呼气。如果吸气相内出现气道压力突然超高的情况，主动呼气阀就会开启（进气阀同时瞬间关闭），将多余的压力释放掉，以维持需要的气道压力。

三、PEEP技术

常见的呼吸机用的PEEP装置有：

1.弹力或磁力PEEP阀

弹力PEEP阀是最常见的PEEP装置。它利用弹簧的力量来抵抗气道的压力，当弹簧的力量低于气道的压力时，呼气活瓣开放，释放呼出气流。当二者平衡时，呼气活瓣关闭，以维持气道正压。调节弹簧的压力就可以改变PEEP值的大小。

磁力PEEP阀的原理与弹力PEEP阀类似。它只是将弹簧的力量换成磁铁的吸引力，来抵抗气道的压力，磁力的大小通过磁铁与活瓣（由导磁材料制成）之间的距离来实现，调节这个距离就可以改变PEEP值。

2.气压控制PEEP阀

气压控制PEEP阀有：射流PEEP装置、气压球囊PEEP装置。

射流PEEP装置利用喷射气流形成的压力，来阻止呼出气体的排出，当两股气流的压力达到平衡时，即产生PEEP水平。调节喷射气流形成的大小，就可以改变PEEP水平。

气压球囊PEEP装置是在呼气活瓣上安装了一个可充气的球形气囊，没有控制气流时，球囊回缩成原状，呼气活瓣不受影响，当给球囊输出控制气流时，球囊膨胀，压迫呼气活瓣，就形成PEEP效应。控制球囊的充气压力，就可以调节PEEP水平。

3.呼吸时间控制PEEP装置

利用呼气相气道内压力呈指数函数下降的规律，控制呼气阀的开放时间，来调节气道内的压力。当气道内压力下降到预设的PEEP水平时，呼气阀就关闭，从而使气道压力维持在要求的PEEP水平。

这种装置必须是电动控制，而不能是纯机械装置，它要求对气道压力的连续测量，要有电动的阀门来控制气流的通断，要形成闭环伺服控制。现代高档呼吸机多采用这种主动式呼气阀装置，它具有呼气阻力小、控制精确、反应敏捷的优点。

四、通气补偿技术

（一） 自动管道漏气补偿

具备漏气补偿功能，可以保证患者得到的吸入气体容量。而如果没有漏气补偿，则病人得到的气体容量就要小于设定的容量。特别是在无创通气中，漏气现象严重，不进行补偿就无法保证潮气量。

（二）管路顺应性补偿

通气前设备自检时，呼吸机检测确定所用呼吸管路的顺应性，并在通气过程中以容量的形式来补偿管道顺应性的影响。根据呼吸道压力，机器以呼吸管路内的气体滞留量来增加潮气量。否则病人得到的潮气量就要小于设定值。

（三）气管插管补偿

气管插管补偿功能是根据插管规格的不同，来调节气道压力，以克服插管（人工气道）所带来的呼吸阻力，有助于支持呼吸功能弱的患者。调节压力的变化与呼吸管道两端的压力变化是同步的，呼吸机根据压力的变化，随时调整补偿的压力。

（四）标准条件下气体的容积转换补偿

气体的体积由气体条件来决定，如温度、压力和湿度。肺的生理状态和气1体2罐或中心供气系统的条件差别很大，同样质量的气体在两种条件下的容积（体积）测量值相差约%。要正确控制供气量，就应该以肺内条件来供给潮气量。因此机器应以此来调整潮气量的控制水平。