不同類型空氧混合器在呼吸機中的作用及研究分析

楊 東，劉妙芳，董俊斌

不同類型空氧混合器在呼吸機中的作用及研究分析

楊 東，劉妙芳，董俊斌

介紹了呼吸機中5種不同類型的空氧混合器的結(jié)構(gòu)和原理，在3組相同參數(shù)設(shè)置條件下，對呼吸機實際氧氣體積分數(shù)的測試進行了比較研究，評價了其調(diào)節(jié)控制功能的差異，指出了混合器氧氣體積分數(shù)控制精度和線性在做好定標校準的情況下沒有本質(zhì)的區(qū)別，而混合器兼顧作為呼吸機吸入流量的控制部件時則要求較高，為設(shè)計研發(fā)、維修和臨床使用人員提供參考。

空氧混合器；呼吸機；分類；比較

0 引言

呼吸機作為醫(yī)院必備的搶救設(shè)備，隨著技術(shù)的發(fā)展，軟硬件水平也不斷提高，其中空/氧混合器是關(guān)鍵氣路部件之一。本文分析了該部件的作用及原理，并就不同類型的混合器進行了研究比較。

1 呼吸機空/氧混合器的作用及分類

空/氧混合器是呼吸機設(shè)置氧氣體積分數(shù)的部件，用于臨床患者救治時氧氣體積分數(shù)的調(diào)節(jié)[1]，確?；颊攉@得臨床不同救治階段所需的吸入氧氣體積分數(shù)。不同形式或不同檔次的呼吸機在混合器的設(shè)計或應(yīng)用方面也有所不同，從構(gòu)造上分有機械氣動均衡式、電磁閥組合式、集氧流量調(diào)節(jié)式、比例電磁控制式和步進電動機控制式混合器[2]。而這些形式目前都還廣泛使用，包括普通機型或便攜式呼吸機使用機械氣動式或集氧流量調(diào)節(jié)式，中檔機型既有機械氣動均衡式，也有比例步進調(diào)節(jié)控制式；高檔機型多使用比例電磁控制式或電磁閥組合式。分析研究不同類型的空/氧混合器，了解精度響應(yīng)和參數(shù)線性，對臨床氧氣體積分數(shù)調(diào)節(jié)和血氧檢測時間有參考意義，對醫(yī)工人員維修也有所幫助。

2 各類型空/氧混合器的原理分析

2.1 機械氣動均衡式混合器

機械氣動均衡式混合器（如圖1所示）一般是獨立于呼吸機以外的氣動部件，或者一體化安裝在呼吸機主機上。混合器內(nèi)部氣路設(shè)計上在高壓氣源輸入后，有一級或二級氣體均衡裝置，第一級為粗調(diào)，第二級為細調(diào)。其原理是：在2路氣源有差別時，壓差閥芯推動膜片向低壓一路腔體移動，使得壓力大的一邊開口小，壓力小的一邊開口大，隔膜的移動使失衡的壓力達到均衡。部分混合器專門設(shè)定了氣源壓力，偏差太大時會啟動報警裝置（約20 psi，1 psi=6.895 kPa）。面板設(shè)置旋鈕通過棍桿調(diào)節(jié)均衡器達到所需要的氧氣/空氣混合比例。維修方面主要是氣路的密閉和隔膜頂針問題。

圖1 氣動均衡式混合器

2.2 電磁閥組合控制式混合器

電磁閥組合控制式（如圖2、3所示）是由一個或多個電磁閥和氣阻節(jié)流孔元件以及空氣混合儲氣裝置組合而成，氧氣輸入同樣為高壓（一般為40～60psi），原理是：微處理控制器通過對壓力、輸出流量和氧氣體積分數(shù)的設(shè)定，綜合調(diào)節(jié)控制電磁閥的開啟組合和時間，氧氣到達儲氣組件與空氣進行混合，再通過流量控制裝置向患者通氣?；旌系牧硗庖宦房諝鈿庠丛O(shè)計有高壓輸入和低壓輸入，如果氧氣和空氣均為高壓，則空氣和氧氣各自的電磁閥將按照時間比例開啟，開啟過程由流量傳感器監(jiān)測流量，綜合控制所需的氧氣體積分數(shù)。如果空氣氣源是低壓或常壓輸入，視作空氣恒定輸入，呼吸機脈沖控制氧氣支路的電磁閥組，每個電磁閥配合一個相應(yīng)的節(jié)流孔元件，根據(jù)設(shè)定的氧氣體積分數(shù)，通過每個電磁閥的開啟頻率和節(jié)流孔的輸出流量進行組合控制，達到空/氧混合比例。其中圖2為空氣低壓輸入和氧氣高壓輸入電磁閥組的控制形式，圖3為氧氣和空氣高壓輸入的雙電磁閥的控制形式。

圖3 雙電磁閥組合式混合器

2.3 集氧流量調(diào)節(jié)式混合器

集氧流量調(diào)節(jié)式（如圖4所示）屬于精度相對要求不高的空/氧混合裝置，應(yīng)用于便攜式和臺式呼吸機，可通過低壓氧流量計為集氧器提供一定流量的氧氣，與過濾后的空氣進行混合，作為給患者通氣的氣體，這種混合形式多用于沒有高壓氣源的活塞式呼吸機。整體混合功能由氧氣收集器、過濾器、氧流量調(diào)節(jié)器組成，按照低壓氧流量與每分鐘不同通氣量相應(yīng)的氧氣體積分數(shù)關(guān)系曲線圖運行調(diào)節(jié)（一般此類型呼吸機供應(yīng)廠家都提供該關(guān)系圖），從而達到所需要的氧氣體積分數(shù)。

圖4 集氧流量調(diào)節(jié)式混合器

2.4 比例電磁控制式混合器

比例電磁控制式（如圖5所示）一般采用與呼吸機流量閥一體化設(shè)計，該組件由高壓空/氧氣源輸入，2個氣路分別由流量傳感器檢測氣體流量[3]，根據(jù)設(shè)置的百分比氧氣體積分數(shù)，自動調(diào)節(jié)氧氣支路和空氣支路的比例電磁閥，從而達到所需比例的空/氧混合氣體。有混合器作用的比例電磁閥可分別控制氧氣和空氣，這種一體化混合器具有監(jiān)測和控制功能，需定期校準，結(jié)合其他設(shè)定的通氣參數(shù)，可實時進行響應(yīng)及反饋控制，所以該組件空氧混合功能只是其作用的一部分，其他重要作用還包括控制呼吸機吸氣峰流量、頻率和潮氣量等參數(shù)，通過伺服流量閥結(jié)合流量傳感器控制混合器，整體響應(yīng)和靈敏度都比其他形式高。

圖5 比例電磁閥控制式混合器

2.5 步進電動機控制調(diào)節(jié)式混合器

步進電動機控制調(diào)節(jié)式混合器（如圖6所示）通過步進電動機調(diào)節(jié)混合器氣路中的比例桿，控制高壓氧氣和空氣的進氣比例。通過電路控制可以實現(xiàn)零氧流量到最大氧流量的步進計數(shù)校正，以便電路記憶步進比例。為了提高混合精度，在二路高壓氣源過濾輸入后，需要減壓器穩(wěn)壓至設(shè)定壓力，作為混合器的輸入氣源。

圖6 步進電動機控制調(diào)節(jié)式混合器

3 不同類型空/氧混合器的實測比較分析

3.1 測量環(huán)境

室內(nèi)空調(diào)環(huán)境設(shè)置溫度為（25±1）℃，濕度為40%±3%，廣州市平均海拔高度為（10±5）m，氧濃度計使用Teledyne Analytical Instruments公司生產(chǎn)的MX 300I型，氧電池使用Teledyne Analytical Instruments生產(chǎn)的R-17MED氧電池，測量范圍0%～100%，響應(yīng)時間6 s內(nèi)達到實測值的90%。

3.2 測量步驟

（1）呼吸機開機自檢；

（2）進行流量校準后使用水肺進行潮氣量測試，實測值與設(shè)置值誤差小于5%的呼吸機才可進行后續(xù)測試；

（3）執(zhí)行呼吸機氧氣體積分數(shù)校準程序；

（4）將R-17MED氧電池連接到MX 300I氧濃度計進行校準：先在大氣環(huán)境下進行空氣氧氣體積分數(shù)校準（下標21%），然后將氧電池通過轉(zhuǎn)接頭連接至醫(yī)院中心供氣的純氧進行校準（上標100%）；

（5）連接通氣管路和模擬肺，在呼吸機吸氣端的出口連接裝有R-17MED氧電池的三通轉(zhuǎn)接頭；

（6）選擇容量控制通氣，按照設(shè)定的條件設(shè)置參數(shù)（潮氣量、流速、呼吸頻率、氧氣體積分數(shù)）；

（7）通氣1 min后讀取氧濃度計測定的讀數(shù)。

3.3 測量方法

對多個品牌呼吸機不同類型的混合器測量比較，方法是在上述測量條件下對所有呼吸機設(shè)置以下3組呼吸機參數(shù)進行通氣，然后分別檢測呼吸機輸出給患者21%、50%和95%的氧氣體積分數(shù)。

（1）第1組參數(shù)：潮氣量Vt=100 mL，吸氣峰流量F=15 L/min，呼吸頻率f=20；

（2）第2組參數(shù)：潮氣量Vt=500 mL，吸氣峰流量F=30 L/min，呼吸頻率f=20；

（3）第3組參數(shù)：潮氣量Vt=1 000 mL，吸氣峰流量F=15 L/min，呼吸頻率f=20；

4 測量比較

（1）機械氣動均衡式混合器：通過表1實測值可見，機械氣動均衡式混合器（機型：紐邦E150，E200）不同氧氣體積分數(shù)時整體線性一般，實測氧氣體積分數(shù)與設(shè)置值偏離度較小、穩(wěn)定性較好，整體氧氣體積分數(shù)略微偏高。

（2）步進電動機控制式混合器（機型：bear 1000）：通過表2測量值可見，整體線性基本一致，但各機型之間穩(wěn)定度不高，與設(shè)置值相比，實測氧氣體積分數(shù)整體都略偏高，其中1臺偏高較多。

表1 機械氣動均衡式混合器檢測氧氣體積分數(shù)%

表2 步進電動機控制式混合器檢測氧氣體積分數(shù)%

（3）比例電磁控制式混合器（機型：德爾格Evita 2，Evita 4，Evita XL）：從表3可見，相對測量數(shù)量較多，結(jié)果整體線性一致性較好，3組參數(shù)測量值與設(shè)置值較為一致，只有1臺低潮氣量50%測量值略偏低。

（4）比例電磁控制式混合器（機型：西門子300A，邁柯唯Servo-i）：測量結(jié)果見表4，測試機型略少，除1臺外，整體3組參數(shù)氧氣體積分數(shù)測量值隨著設(shè)置值的提高而整體偏高，但各組測量值線性基本良好。

（5）比例電磁控制式混合器（機型：PB7200，PB840）：測量值見表5，各組測量值線性基本良好，個別設(shè)備高氧氣體積分數(shù)時實測值略高，實測氧氣體積分數(shù)與設(shè)置值偏離度較小。

（6）電磁閥組合式混合器（機型：鳥牌Vela，德爾格Savina，泰科PB760）：具體檢測數(shù)據(jù)見表6，檢測機型中1臺Vela機型ADT01450線性不好，其他4臺線性基本良好，高氧氣體積分數(shù)時穩(wěn)定性一般。

（7）集氧流量調(diào)節(jié)式混合器（機型：熊牌BEAR33）：測量值見表7，檢測機型只有2臺，線性一般，實測氧氣體積分數(shù)與設(shè)置值偏離度相對較多，高氧氣體積分數(shù)時更明顯偏低。

表3 比例電磁控制式混合器檢測氧氣體積分數(shù) %

表4 比例電磁控制式混合器檢測氧氣體積分數(shù)%

表5 比例電磁控制式混合器檢測氧氣體積分數(shù)%

表6 電磁閥組合式混合器檢測氧氣體積分數(shù)%

表7 集氧流量調(diào)節(jié)式混合器檢測氧氣體積分數(shù)%

5 分析

上述43臺呼吸機有14款機型共5種類型的空氧混合器，在統(tǒng)一標準的設(shè)置參數(shù)和測試條件下，其中比例電磁控制式混合器實測數(shù)量最多，實測氧氣體積分數(shù)與設(shè)置值的偏離度、穩(wěn)定性和線性最好。其次是機械氣動均衡式混合器和步進電動機控制調(diào)節(jié)式混合器，再次是電磁閥組合式混合器，最后是集氧流量調(diào)節(jié)式。從結(jié)構(gòu)上分析呼吸機中不同類型空氧混合器如下：

（1）機械氣動均衡式混合器：屬于機械氣動部件構(gòu)成類型，耐用性和穩(wěn)定性較好，精度不如電子閥門控制類型，不能自動進行校準，要求空/氧氣源質(zhì)量相對較高一些，否則濕度大或雜質(zhì)多易影響混合器精度和內(nèi)部比例調(diào)節(jié)桿的控制。

（2）步進電動機控制式混合器：屬于電動機控制機械比例桿調(diào)節(jié)氧氣體積分數(shù)類型，步進電動機與機械部件安裝精度要求較高，以保障空氧開啟機械位置比例的準確，能夠通過軟件控制起始零流量和最大流量，開機進行校正，對空氧輸入壓力一致性要求較高。因此，在高氧氣體積分數(shù)和機械混合腔體開啟較大的情況下，穩(wěn)定性一般，氧氣體積分數(shù)偏高。

（3）比例電磁控制式混合器：由比例電磁閥直接控制閥桿帶動調(diào)節(jié)膜片，可在開機時和通氣過程中自動進行氧氣和空氣流量定標校準，氧氣體積分數(shù)調(diào)節(jié)控制的穩(wěn)定性和線性都較好，主要用于高檔機型。實測案例中，有3種不同品牌的7款機型，相對其他類型的混合器而言，實測氧氣體積分數(shù)與設(shè)置值偏離最小，但個別機型也有高氧氣體積分數(shù)時略偏高的情況。

（4）電磁閥組合式混合器：由1個或多個普通電磁閥直接控制氧氣，需要軟件分別按照程序控制開啟脈沖時間，結(jié)合氣阻元件進行氧氣體積分數(shù)調(diào)節(jié)。氧氣體積分數(shù)的精度和線性等有賴于電磁閥的精度，一般用于中低端機型，本次檢測機型高氧氣體積分數(shù)時穩(wěn)定性一般。

（5）集氧流量調(diào)節(jié)式混合器：一般將低壓氧氣作為氣源，通過調(diào)節(jié)氧流量控制進入集氧器的氧流量，從而按照比例帶入空氣進行混合，收儲集氧器中等待通過活

（????）（????）塞抽入輸送給患者的氣體，屬較為粗糙的控制，因此線性一般，實測氧氣體積分數(shù)與設(shè)置值偏離度相對較多，高氧氣體積分數(shù)時更明顯偏低[4]。

上述結(jié)果說明不同檔次的混合器配置不同檔次的呼吸機，既有結(jié)合流量控制的需要，也有精度和線性的要求，更有成本控制的考慮。綜合整體實測結(jié)果，可以看出呼吸機混合器不同檔次實際氧氣體積分數(shù)有所差異，其中集氧流量調(diào)節(jié)式混合器屬簡易型，難以進行控制，僅用于低端呼吸機。其他幾個類型的混合器中比例電磁控制式混合器精度和線性較好，在做好定標校正后，整體差異不會較大，一般根據(jù)呼吸機的檔次和吸氣峰值流量的控制能力來選用混合器。

6 結(jié)論

通過對呼吸機中關(guān)鍵部件空氧混合器的原理分析和實測比較，使我們對5種不同類型空氧混合器的特點有所了解。在相同呼吸參數(shù)和設(shè)置測量條件下，對各自的氧氣體積分數(shù)進行了比較分析，從臨床醫(yī)生實際使用設(shè)置上影響并不大，一般情況下醫(yī)生基本不會根據(jù)氧氣體積分數(shù)設(shè)置偏差而判斷治療效果，而是根據(jù)患者的血氣分析數(shù)據(jù)進行反饋調(diào)節(jié)至合適的氧分壓[5]。但不可定標測試和可控的低端混合器如果偏差較大時，使用難以發(fā)現(xiàn)，建議使用氧氣濃度計輔助監(jiān)測?？傮w來說，呼吸機空氧混合器首要作用是氧氣體積分數(shù)的調(diào)節(jié)功能，該功能的精度和線性要求并不很高，在高檔機型中空氧混合器同時也是呼吸機吸入流量的控制部件，因此控制功能、精度和線性都較好，從而保證患者吸入峰值流量的有效控制，使用中氧氣體積分數(shù)偏差隨時可以監(jiān)測報警。通過上述比較、測試和分析，可使醫(yī)護人員和醫(yī)工人員較全面了解呼吸機空氧混合器的作用、原理及不同類型的差別，為設(shè)計研發(fā)、維修和臨床使用人員提供參考。

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（收稿：2014-03-04 修回：2014-08-10）

Roles of types of air-oxygen mixers in ventilator

YANG Dong,LIU Miao-fang,DONG Jun-bin
（The First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangzhou 510120,China）

Five types of air-oxygen mixers of the ventilator are introduced from the structures and working principles. The oxygen concentration is measured in three groups of conditions by comparison,in order to evaluate the mixers' performance of air-oxygen ratio control.The result is that there are not statistics differences in linear and fidelity between different types of mixers under the well calibrated condition,which can be helpful for researchers,repair engineering and clinical operators.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：112-115，119]

air-oxygen mixer;ventilator;classification;comparison

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）01-0112-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.112

楊 東（1959—），男，高級工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備維修和管理方面的研究工作，E-mail：1176521107@qq.com。

510120廣州，廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院（楊 東，劉妙芳，董俊斌）