一種一次性呼吸機進氣端過濾裝置的研制

毛靖寧

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002

一種一次性呼吸機進氣端過濾裝置的研制

毛靖寧

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002

本文闡述了一種安裝在呼吸機氧氣、空氣進氣端過濾裝置的研制過程。該裝置主要由透明管壁、過濾芯、氣動接口等結(jié)構(gòu)組成，具有過濾呼吸機氣源顆粒物、病菌并可以隨時觀察氣源狀況等特點，能夠解決呼吸機氣源不良帶來的各種問題。臨床使用效果表明，該裝置能有效濾除呼吸機氣源中的各種顆粒物質(zhì)，延長呼吸機使用壽命，降低呼吸機相關(guān)性肺炎發(fā)生幾率。

呼吸機；醫(yī)用中心供氣系統(tǒng)；高效粒子空氣過濾器；過濾芯；氣動快速接頭

引言

隨著生物醫(yī)學(xué)工程和呼吸治療學(xué)科的快速發(fā)展，呼吸機技術(shù)已比較成熟，但無論何種類型的呼吸機都離不開驅(qū)動氣源，呼吸機本質(zhì)上就是一種氣體開關(guān)，其控制系統(tǒng)通過對氣體流向的控制而完成輔助通氣。驅(qū)動氣源主要是指醫(yī)用氧氣瓶、醫(yī)用空氣壓縮機、內(nèi)部渦輪和醫(yī)用中心供氣系統(tǒng)，這些裝置的主要作用就是提供具有足夠壓力、清潔、無菌、干燥的空氣和氧氣來驅(qū)動呼吸機。無論何種氣體，通過產(chǎn)生、存儲、運輸、使用環(huán)境等過程后會直接參與呼吸循環(huán)，而針對呼吸機氣源的要求只有壓力參數(shù)，無任何有效措施監(jiān)控進入呼吸機的氣體質(zhì)量是否無塵無菌。

目前由呼吸機氣道管路細菌污染導(dǎo)致的呼吸機相關(guān)性肺炎占比較大，即使認真執(zhí)行呼吸管路清洗消毒規(guī)范仍然無法完全避免感染的發(fā)生[1]。首先引入兩個概念，氣源傳染和氣源污染。氣源傳染可理解為氣體之間相互流通，例如有醫(yī)用空壓機和帶渦輪的呼吸機，患者排出廢氣與醫(yī)用空壓機或渦輪吸氣循環(huán)[2]。有效吸氣濾芯都是在設(shè)備內(nèi)部，可清洗消毒的僅是設(shè)備外部的過濾網(wǎng)，只能濾除肉眼可見較大灰塵和漂浮物吸入，根本無法阻止細菌和微粒，當(dāng)內(nèi)部濾芯達到飽和即會出現(xiàn)氣源傳染。氣源污染理解為氣體在填充、運送過程中接觸到細菌和微粒的情況，例如非無菌環(huán)境下填充醫(yī)用氧氣瓶運送安裝在呼吸機上，或者醫(yī)用中心供氣系統(tǒng)更換濾芯間隙以及管路升級、改造施工中帶進管路中的細菌和微粒[3]。

以ICU內(nèi)的呼吸機使用為例，呼吸機正常工作時，至少有一根皮管與驅(qū)動氣源連接（空氣或者氧氣）。醫(yī)用氧氣瓶在填充運送安裝者多非醫(yī)務(wù)人員，在操作工程中瓶箍、瓶閥處極易粘附細菌或微粒，醫(yī)用空氣壓縮機進氣端通常在離地面很近，過濾網(wǎng)清潔不徹底，地面殘留污物等，醫(yī)用中心供氣系統(tǒng)通常在遠端，經(jīng)過大量管路傳輸分流、溫度濕度變化、施工改造等因素到達呼吸機進氣端時氣源品質(zhì)變化在所難免[4-6]。各類醫(yī)用氣體在制造出來的時候都是清潔干燥、無塵無菌的，但是經(jīng)過運輸、存儲、安裝等過程及使用環(huán)境的影響后，無法保障進入的氣體是否無菌。呼吸機內(nèi)部只能針對氣體壓力、電源和各控制閥是否工作正常報警，與外部一樣沒有監(jiān)測和過濾氣體功能的部件。驅(qū)動氣源直接參與患者呼吸道循環(huán)，即使嚴格管理呼吸管路消毒工作，或者采用一次性無菌呼吸管路連接患者，也不能消除來自驅(qū)動氣源的細菌和微粒[7-11]。

本文研究設(shè)計了一種安裝在呼吸機近端空氣和氧氣皮管間的過濾裝置，使得驅(qū)動氣源經(jīng)過濾裝置后直接參與呼吸循環(huán)，由呼吸機控制通過無菌管路與患者連接，能有效減低驅(qū)動氣源帶來的細菌和微粒。該過濾裝置體積小、重量輕、拆裝方便，更重要的是通過觀察過濾裝置，能粗略監(jiān)測驅(qū)動氣源在呼吸機進氣端整體質(zhì)量，衡量供氣方式和供氣系統(tǒng)是否需要調(diào)整和維護。呼吸濾裝置流程圖，見圖1。

圖1 呼吸過濾裝置流程

1 過濾裝置的研制

1.1 設(shè)計思路

過濾裝置的設(shè)計思路來源于精密輸液器，精密輸液器能有效的濾除2 μm以上的微粒，將這種過濾微粒的原理運用在呼吸機驅(qū)動氣源上，根據(jù)靜脈輸液和壓縮氣體的流速不同，以及過濾材料在液體和氣體阻力不同，設(shè)計呼吸機過濾裝置的濾芯材料、接口種類、合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[12-13]。

1.2 過濾裝置選擇

呼吸機使用規(guī)范要求驅(qū)動氣體的壓力不小于0.4 MPa，過濾裝置需要安裝在進氣端的管路上，那么在材料選擇、外形結(jié)構(gòu)和接口設(shè)計上也必須要能承受0.4 MPa以上的壓力。經(jīng)過各種材質(zhì)的對比研究后，使用聚氨酯制作的透明材料為過濾裝置的外殼。聚氨酯便于加工、韌性強，可承受壓力為0.8 MPa，可以滿足呼吸機驅(qū)動氣源壓力要求，而透明的外觀可讓使用者直接觀察內(nèi)部過濾芯使用情況。

1.3 濾芯材料選擇

通?？諝庵械募毦笮≡?.5 μm以上，目前能夠到達過濾細菌級別的是高分子材質(zhì)做成的HEPA材料，它對直徑為0.3 μm以上的微粒去除效率可達到99.97%以上，是煙霧、灰塵以及細菌等污染物最有效的過濾媒介。且其具有風(fēng)阻小、容塵量大、過濾精度高的特點，可以加工成各種尺寸、形狀和類型，各種濾紙材料的特點，見表1。呼吸機對氣源壓力要求不得低于0.4 MPa，使用熔噴長纖維濾芯材料可數(shù)層折疊提高過濾效果并仍保持較低風(fēng)阻，保證呼吸機正常運轉(zhuǎn)所需氣源壓力，通過透明聚氨酯材料觀察熔噴長纖維顏色變化即可得知濾芯是否失效。

表1 濾紙材料對比

1.4 過濾裝置接口與安裝

一次性的設(shè)計理念需要經(jīng)常更換過濾裝置，接口采用的是氣動快速接頭，見圖2。通常一臺呼吸機需要配用兩個過濾裝置（空氣和氧氣皮管各一個），首先需要安裝接頭，將呼吸機進氣端的空氣和氧氣皮管割斷開，接頭分別插入割斷的皮管并用喉箍勒緊防止漏氣，安裝過程完畢[14]。更換過濾裝置時，用力按壓接頭頂端圓管后插入或拔出過濾裝置即可，整個過程只需要幾十秒，只需要注意過濾裝置的安裝方向即可。

圖2 快速氣動接頭

1.5 過濾裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)氣體動力學(xué)原理，為了緩沖進入過濾裝置的氣體壓力，將過濾腔設(shè)計為驅(qū)動氣源皮管內(nèi)徑的一倍，并且用一個錐形坡面讓壓縮氣體充分接觸過濾芯，以達到良好的過濾效果。為了防止過濾芯在氣流沖擊下發(fā)生變形陷入管道內(nèi)，在裝置出口處設(shè)計了一個比管道口略大的網(wǎng)狀金屬擋板，使過濾芯受力均勻不發(fā)生變形。過濾裝置結(jié)構(gòu)圖，見圖3。

圖3 過濾裝置結(jié)構(gòu)圖

2 應(yīng)用效果

安裝了過濾裝置的呼吸機經(jīng)過一周的連續(xù)使用，從外部觀察過濾裝置濾芯材料顏色有明顯變化。剖開過濾裝置展開濾芯材料觀察，發(fā)現(xiàn)濾芯內(nèi)部出現(xiàn)黑黃色污漬，根據(jù)濾芯材料參數(shù)確認濾芯已達到飽和狀態(tài)，濾芯使用壽命遠小于正常通風(fēng)條件下。這也間接說明過濾裝置的壽命和呼吸機使用時間成正比，呼吸機驅(qū)動氣源內(nèi)確實有微粒直接參與呼吸通氣，可能會對患者及呼吸機內(nèi)部造成危害。

3 結(jié)論

本文設(shè)計提出一種安裝在呼吸機進氣端，可過濾0.3 μm以上的微粒的一次性過濾裝置，該裝置可有效減少進入呼吸循環(huán)的細菌數(shù)量，降低呼吸機相關(guān)性肺炎的發(fā)生。并且可通過觀察分析化驗過濾芯，提供驅(qū)動氣源質(zhì)量監(jiān)測的初步數(shù)據(jù)，為驅(qū)動氣源的規(guī)范化管理和延長呼吸機使用壽命提供幫助。

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Development of a Disposable Filter Device for the Air Inlet End of Ventilator

MAO Jing-ning
Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Command, Nanjing Jiangsu 210002, China

This paper described the development process of a filter device installed on the oxygen and air inlet end of the ventilator, which was mainly comprised of a transparent tube wall, a filter element, a pneumatic interface and other structures. The filter had the characteristics of filtering the air particulate matter and pathogen of the respirator as well as real-time observation of the gas source condition, and could solve various problems caused by the poor gas source of ventilators. Clinical results showed that the device could effectively filter out all kinds of particulate matters in the air source of respirator, prolong the service life of the machine, and reduce the incidence of ventilator associated pneumonia.

ventilator; medical center gas supply system; high efficiency particulate air filter; filter element; pneumatic quick connector

TH789

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.11.028

1674-1633(2016)11-0104-02

2016-01-12

2016-04-06

作者郵箱：mao_jing_ning@163.com