三種呼吸機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的比較與分析

陳學(xué)斌 劉利榮

三種呼吸機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的比較與分析

陳學(xué)斌① 劉利榮②

目的：掌握呼吸機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)，為呼吸機(jī)氣動(dòng)部分的故障篩查和排除提供技術(shù)支持。方法：分析臨床常用三種呼吸機(jī)Servo-i/s、Rapheal XTC及PB840的氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，比較不同呼吸機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異。結(jié)果：了解三種呼吸機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及差異，為篩查和排除呼吸機(jī)氣動(dòng)部分故障提供了有效的幫助。結(jié)論：呼吸機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)是呼吸機(jī)的重要組成部分，對不同呼吸機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)差異的認(rèn)識、掌握，便于臨床呼吸機(jī)故障的分析及排除。

呼吸機(jī)；氣動(dòng)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；比較

[First-author’s address] China-Japan Friendship Hospital, Beijing 100029, China.

呼吸機(jī)是一種人工的機(jī)械通氣裝置，用于輔助或控制患者的自主呼吸運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到肺內(nèi)氣體交換的功能，降低人體的消耗，利于患者呼吸功能的恢復(fù)[1]。呼吸機(jī)在臨床呼吸衰竭搶救手術(shù)中和手術(shù)后患者的復(fù)蘇和呼吸治療等方面有廣泛的應(yīng)用[2-3]。呼吸機(jī)硬件設(shè)備主要由氣動(dòng)系統(tǒng)、電路系統(tǒng)組成。呼吸機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)由吸氣組件系統(tǒng)、患者環(huán)路系統(tǒng)和呼氣組件系統(tǒng)組成[4]。本研究通過分析Rapheal XTC型、Servo-i/s型和PB840型三種常見的呼吸機(jī)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，比較其結(jié)構(gòu)差異，為呼吸機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的維修、維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 呼吸機(jī)的呼氣組件系統(tǒng)比較

呼吸機(jī)氣動(dòng)部分的吸氣組件系統(tǒng)是呼吸機(jī)氣路的主要組成部分，該組件是控制高壓氣體進(jìn)入呼吸機(jī)，并且對進(jìn)入患者呼吸循環(huán)的潮氣量及其相關(guān)參數(shù)如氧氣濃度等進(jìn)行調(diào)控的關(guān)鍵組件。

1.1 Servo-i/s型呼吸機(jī)的吸氣組件系統(tǒng)

(1)當(dāng)Servo-i/s型呼吸機(jī)接通外源高壓氣源后氣流通過進(jìn)氣口處濾膜進(jìn)入呼吸機(jī)，濾膜可對呼吸機(jī)起到保護(hù)作用。濾膜外殼上有個(gè)單向閥，此閥可防止在失去外接高壓氣源時(shí)進(jìn)入呼吸機(jī)的氣流的回流。溫度傳感器和壓力傳感器對外接高壓氣體的溫度和壓力進(jìn)行檢測。其檢測信號傳遞至呼吸機(jī)后通過壓力的改變來補(bǔ)償由于溫度變化導(dǎo)致氣體潮氣量的改變，是對流量的一種補(bǔ)償調(diào)控。

(2)氣體經(jīng)過壓力傳感器后會(huì)經(jīng)過流量傳感器，流量傳感器為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使傳感器兩端的氣流產(chǎn)生壓力差，流量傳感器通過壓力差來計(jì)算傳輸氣體的流量。氣流經(jīng)過流量傳感器進(jìn)入噴嘴組件后受到吸氣螺線圈的調(diào)控，呼吸機(jī)根據(jù)設(shè)定值調(diào)控吸氣螺線圈中的電壓而調(diào)控進(jìn)入的氣流量。空氣和氧氣的氣流通過噴嘴組件在橡皮連接管處混合并且進(jìn)入吸氣管。吸氣管上的氧氣傳感器用于檢測混合后氣體的氧濃度。

(3)在呼吸機(jī)的吸氣管上連有吸氣壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測吸氣管中供給患者的氣流壓力，當(dāng)吸氣管中壓力超過設(shè)定壓力最高值0.5 kPa時(shí)呼吸機(jī)開始報(bào)警，當(dāng)吸氣管中的壓力超過(11.7±0.07) kPa壓力時(shí)，吸氣管上的安全閥會(huì)強(qiáng)制打開，以保證患者的安全。安全閥受電磁控制，在機(jī)械故障或氣源缺失的情況下則處于打開狀態(tài)[5-6]。

1.2 Rapheal型呼吸機(jī)的吸氣組件系統(tǒng)

(1)Rapheal型呼吸機(jī)接通高壓氣源后高壓氣體進(jìn)入積水杯，積水杯中含有濾膜，濾膜可起到過濾作用，其凝結(jié)水會(huì)聚集在積水杯杯底，然后經(jīng)過單向閥(防止氣流的回流)后進(jìn)入呼吸機(jī)的混合閥，最后進(jìn)入氣動(dòng)模塊上的燒制節(jié)流器。混合閥受電磁螺線圈控制，其處于打開狀態(tài)時(shí)氣流進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，混合閥能夠檢測通過的氣流量。

(2)在節(jié)流器上有一個(gè)壓力傳感器dPmixer，通過檢測節(jié)流器前后兩端的壓力差來檢測高壓氣流的壓力，呼吸機(jī)通過壓力信號的變化控制氣體混合閥的開、閉來調(diào)控進(jìn)入氣罐的氣流量。Rapheal呼吸機(jī)的電磁混合閥、燒結(jié)的節(jié)流器、壓力差傳感器和氣罐共同完成呼吸機(jī)中高壓氧氣和空氣的混合。氣罐的壓力傳感器Ptank檢測氣罐中混合氣體的壓力，氧電池檢測混合氣體中氧氣的濃度。

(3)在氣罐混合后的氣體流向過壓保護(hù)閥、霧化器電磁閥和吸氣閥而流向患者。①過壓保護(hù)閥是機(jī)械閥，不受電磁控制，當(dāng)氣罐中的壓力過高時(shí)氣流會(huì)將過壓保護(hù)閥打開，保證氣罐內(nèi)的壓力安全；②霧化器電磁閥在設(shè)定的條件下打開，對患者進(jìn)行霧化治療；③吸氣閥是一個(gè)電子線圈閥，其開關(guān)直接控制進(jìn)入患者呼吸循環(huán)的潮氣量。

(4)在吸氣閥的下匣室相連的有一個(gè)環(huán)境閥，當(dāng)呼吸機(jī)失靈時(shí)環(huán)境閥打開，允許患者從外界吸入空氣。在吸氣閥下匣室相連的管路中有一個(gè)患者過壓保護(hù)閥，同樣是不受電路控制的機(jī)械閥，當(dāng)患者環(huán)路中氣壓過高時(shí)會(huì)打開，保證患者的安全。在Rapheal型呼吸機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)中氣罐超壓保護(hù)閥和患者環(huán)路超壓保護(hù)閥共同位于安全閥組件中，組成呼吸機(jī)的安全閥[7-8]。

1.3 PB840型呼吸機(jī)的吸氣組件系統(tǒng)

當(dāng)接通PB840型呼吸機(jī)高壓氣源后，氣流通過進(jìn)氣口經(jīng)過一個(gè)壓力開關(guān)，當(dāng)氣源壓力達(dá)到137.9 kPa時(shí)壓力開關(guān)正常打開，氣源壓力達(dá)到217.2 kPa時(shí)壓力開關(guān)關(guān)閉。高壓氧氣和高壓空氣經(jīng)過壓力開關(guān)后所經(jīng)過的氣路略有不同：①高壓氧氣先經(jīng)過沖擊篩濾膜，該濾膜可過濾掉直徑為65～110 μm的碎片，經(jīng)過一次過濾后會(huì)再經(jīng)過可濾掉直徑＞3 μm的碎片的另一個(gè)濾膜進(jìn)入氧氣調(diào)控器；②高壓空氣經(jīng)過壓力開關(guān)后只經(jīng)過一次濾膜，除掉氣體中直徑＞3 μm的碎片后進(jìn)入一個(gè)單向閥多支管組件中。氣流經(jīng)過此單向閥多支管組件后，進(jìn)入空氣調(diào)控器。調(diào)控器上有一個(gè)氣壓閥TP，可檢測氧氣和空氣調(diào)控器的設(shè)置[9](如圖1所示)。

在PB840型呼吸機(jī)中，空氣和氧氣氣流通過分配電磁閥POSL后開始混合。安全閥與混合后氣體相通，安全閥是受電磁控制的，當(dāng)呼吸機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁閥強(qiáng)行關(guān)閉，允許氣流傳輸給患者。當(dāng)安全閥出口壓力超過11.5 kPa壓力時(shí)或當(dāng)呼氣壓力傳感器檢測呼氣口壓力達(dá)到10 kPa時(shí)，安全閥會(huì)被打開來釋放壓力，當(dāng)呼吸機(jī)突然失靈時(shí)安全閥會(huì)打開允許患者呼吸外界空氣。

混合氣流通過吸氣單向閥輸送到呼吸管路中，并會(huì)阻止呼出的氣流回流。氣流經(jīng)過單向閥后，氧電池會(huì)檢測傳輸于患者的混合氣體氧氣濃度，當(dāng)氧氣濃度的差異＞±7%時(shí)氧電池會(huì)報(bào)警。混合后的氣流壓力經(jīng)PI吸氣壓力傳感器檢測，吸氣壓力傳感器的自動(dòng)歸零螺線包周期性地將吸氣壓力傳感器的基準(zhǔn)偏差設(shè)置歸零[10-11]。

1.4 三種呼吸機(jī)吸氣組件的比較

三種呼吸機(jī)的吸氣組件其功能相同，但結(jié)構(gòu)卻互有差異。

(1)空氣和氧氣氣流混合過程中，Servo-i/s型呼吸機(jī)是經(jīng)過電磁螺線圈后在膠皮連接管處混合；Rapheal型呼吸機(jī)是在專用氣罐中混合；PB840型呼吸機(jī)是在經(jīng)過兩重的氣流調(diào)控后在管路中混合。在此部分功能中Rapheal型呼吸機(jī)的氣罐可使氣流混合更為均勻，并可保證輸出氣流的穩(wěn)定性。

(2)在氣流調(diào)控方面，Servo-i/s型和Rapheal型呼吸機(jī)均是空氣和氧氣在混合前受一次電磁螺線圈的調(diào)控，而PB840型呼吸機(jī)在受電磁螺線圈的調(diào)控前由一次受載彈簧控制的通風(fēng)管調(diào)控器調(diào)控，高壓氣流在經(jīng)過調(diào)控后保證氣體供應(yīng)的穩(wěn)定性，此調(diào)控可以消除兩種氣源壓力的差異。

(3)單向閥和安全閥的差異，Servo-i/s型和Rapheal型呼吸機(jī)的單向閥都位于進(jìn)氣口處，此處可防止氣源丟失的條件下氣流的回流。PB840型呼吸機(jī)的單向閥位于空氣和氧氣氣流混合處，此處單向閥可防止患者呼出的氣體進(jìn)入呼吸機(jī)。

圖1 PB840型呼吸機(jī)吸氣組件結(jié)構(gòu)圖

(4)三種呼吸機(jī)中安全閥不同，其中Servo-i/s型和PB840型均為電磁控制的安全閥，且都只有1個(gè)，位于氣體混合后的部分。當(dāng)呼吸機(jī)失靈時(shí)安全閥則會(huì)打開，保證患者可從外界呼吸空氣。而Rapheal呼吸機(jī)的安全閥組件較為復(fù)雜，其中含有2個(gè)過壓保護(hù)閥，分別為呼吸機(jī)的氣罐過壓保護(hù)閥和呼吸管路過壓保護(hù)閥，其均為機(jī)械閥。當(dāng)氣罐或呼吸管路中壓力達(dá)到一定程度時(shí)，與其相通的閥會(huì)打開，保護(hù)呼吸機(jī)和患者的安全。當(dāng)與呼吸管路過壓保護(hù)閥打開后患者會(huì)直接呼吸空氣；當(dāng)呼吸機(jī)不能向患者傳輸氣體時(shí)位于吸氣閥處的環(huán)境閥可打開，患者可直接呼吸空氣。

2 呼吸機(jī)的患者環(huán)路系統(tǒng)

患者環(huán)路系統(tǒng)指氣體從呼吸機(jī)的吸氣組件系統(tǒng)輸出后進(jìn)入患者呼吸循環(huán)系統(tǒng)，然后輸出到呼吸組件的過程，其中包含呼吸管路和濕化罐[12-13]。三種呼吸機(jī)的環(huán)路系統(tǒng)相差甚小，Rapheal呼吸機(jī)的患者環(huán)路系統(tǒng)除呼吸管路和濕化罐外還包含了流量傳感器和霧化器的接口。該呼吸機(jī)的流量傳感器可以檢測患者吸入和呼出氣流的流量。

3 呼吸機(jī)的呼氣組件系統(tǒng)

呼吸機(jī)的呼氣組件系統(tǒng)是指患者呼出的氣流進(jìn)入呼吸機(jī)并排到室外的組件。

3.1 Servo-i/s呼吸機(jī)的呼氣組件系統(tǒng)

Servo-i/s呼吸機(jī)的氣流通過連接管進(jìn)入呼氣組件，氣流進(jìn)口處的設(shè)計(jì)便于冷凝水流出，其濾膜可防止呼氣系統(tǒng)污染。在呼氣組件的氣路中有兩個(gè)超聲發(fā)射器和接收器，通過檢測氣流上游、下游的超聲接收和發(fā)射的時(shí)間差來檢測呼氣氣流的流量，呼氣氣路中的溫度傳感器用于檢測呼氣氣流溫度，所測溫度用于輔助計(jì)算氣流的呼氣流量。呼氣組件中的壓力傳感器用于檢測呼出氣流的壓力。呼出的氣流經(jīng)過呼氣閥呼出，呼氣閥有受呼氣閥螺線圈控制的濾膜，可使用1000萬個(gè)循環(huán)。氣流進(jìn)入呼氣閥后經(jīng)過呼氣單向閥，以防止呼出氣流的回流并呼出的氣流排到室外[14](如圖2所示)。

圖2 Servo-i/s呼吸機(jī)呼氣組件結(jié)構(gòu)

3.2 Rapheal呼吸機(jī)的呼氣組件系統(tǒng)

Rapheal呼吸機(jī)的呼氣系統(tǒng)組件由塑料外殼、硅膠膜、進(jìn)氣口和出氣口組成，硅膠模覆蓋在患者進(jìn)氣口上。Rapheal呼吸機(jī)通過電磁螺線圈控制的呼氣閥調(diào)控硅膠膜位置可控制氣流的呼出(如圖3所示)。

圖3 Rapheal呼吸機(jī)呼氣組件結(jié)構(gòu)

3.3 PB840呼吸機(jī)的呼氣組件系統(tǒng)

PB840呼吸機(jī)的呼氣系統(tǒng)如圖4所示，患者呼出的氣流通過濾膜進(jìn)入呼氣閥，在濾膜外有可收集患者呼出氣體凝結(jié)水的積水杯，氣流經(jīng)過濾膜和一個(gè)單向閥后通過單向閥相連處的壓力傳感器檢測患者呼出氣流的壓力；呼出氣流的流量由流量傳感器檢測[15]。呼出的氣體經(jīng)過流量傳感器后進(jìn)入呼氣閥，當(dāng)患者吸氣時(shí)此閥關(guān)閉，防止氣流回流，當(dāng)患者呼氣時(shí)此閥打開。呼氣閥的開閉程度可控制呼氣末壓力值。

圖4 PB840呼吸機(jī)呼氣組件

3.4 三種呼吸機(jī)的呼氣組件系統(tǒng)的差異

(1)三種呼吸機(jī)的流量傳感器。Servo-i/s呼吸機(jī)和PB840呼吸機(jī)的流量傳感器是單獨(dú)位于呼氣組件中，而Rapheal呼吸機(jī)的吸氣和呼氣流量傳感器是1個(gè)，且位于患者環(huán)路系統(tǒng)中。Servo-i/s呼吸機(jī)呼氣組件的流量通過兩個(gè)超聲流量傳感器來檢測，而PB840呼吸機(jī)的流量是采用電熱片式的流量傳感器來檢測。

(2)三種呼吸機(jī)的壓力傳感器。Servo-i/s呼吸機(jī)和PB840呼吸機(jī)有相應(yīng)的壓力傳感器，Rapheal呼吸機(jī)在流量傳感器兩端有一個(gè)壓力傳感器用于檢測其壓力差來監(jiān)測呼氣端的流量和呼氣端的壓力。

4 結(jié)語

呼吸機(jī)的氣動(dòng)部分是呼吸機(jī)的重要組成部分，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系到呼吸機(jī)的安全使用。Rapheal XTC型、Servo-i/s型和PB840型呼吸機(jī)是目前臨床常用類型的呼吸機(jī)，本研究分析了該類呼吸機(jī)氣動(dòng)部分的工作原理，比較了不同品牌呼吸機(jī)氣動(dòng)部分的差異，為臨床呼吸機(jī)的使用和維護(hù)提供技術(shù)支持。

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Research on the analysis and compare of pneumatic system in several kinds of ventilators/

CHEN Xue-bin, LIU Li-rong// China Medical Equipment,2014,11(2):33-36.

Objective: To get a general estimation of the pneumatic system in ventilators and supply technical assistance for screening and removing the faults of pneumatic component. Methods: Pneumatic system of three kinds of ventilators, Sevro-i/s, Rapheal XTC and PB840 were analyzed and the differences of the three pneumatic systems were compared. Results: Known the construct and differences of pneumatic system. Conclusion: Pneumatic system is the major component of ventilator, and the analysis of the pneumatic component is benefited for the common troubleshooting of ventilators.

Ventilator; Pneumatic system; Construct; Compare

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.011

1672-8270(2014)02-0033-04

R197.324

A

2013-11-04

①中日友好醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處 北京 100029

②諸城市人民醫(yī)院關(guān)節(jié)外科 山東 諸城 262200

陳學(xué)斌,男,(1984- ),博士，助理工程師。中日友好醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，從事呼吸機(jī)的維修維護(hù)工作。