Draeger 呼吸機(jī)設(shè)計(jì)原理

寧夏回族自治區(qū)人民醫(yī)院設(shè)備管理科 （寧夏 銀川 750021）

內(nèi)容提要：呼吸機(jī)是醫(yī)院生命急救類(lèi)設(shè)備，了解其基本工作原理對(duì)于醫(yī)工科的工作者非常有必要。文章介紹呼吸機(jī)的一般工作原理，并分別介紹德國(guó)德?tīng)柛窆維avina，Evtia4，V500三款呼吸機(jī)的原理，以期讀者通過(guò)了解它們工作原理的更新，對(duì)呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)原理有初步的認(rèn)識(shí)。

呼吸機(jī)是醫(yī)院生命急救類(lèi)設(shè)備，在危重癥救護(hù)中起到了重要的作用。了解其基本工作原理對(duì)于醫(yī)工科的工作者非常有必要。本文以德國(guó)德?tīng)柛窆維avina，Evtia4，V500三款呼吸機(jī)為例，介紹其工作原理，以期讀者對(duì)呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)原理有初步的認(rèn)識(shí)。

1.呼吸機(jī)的一般原理

呼吸機(jī)必須具備精準(zhǔn)的潮氣量控制，精準(zhǔn)的吸入氧濃度控制和安全可靠的保護(hù)裝置。其一般原理如圖1所示。

呼吸機(jī)工作必須要有氧氣源和空氣源，氣源的提供方式不同，呼吸機(jī)的工作原理也大不相同。

混合器：將氧氣和空氣按照特定的比例精確混合，然后再按照一定的流量輸送給患者。混合器是呼吸機(jī)的核心部件。

氧傳感器：用于監(jiān)測(cè)從混合器輸出的氣體的氧濃度，俗稱(chēng)氧電池。氧監(jiān)測(cè)的精確程度是反映呼吸機(jī)通氣品質(zhì)的很重要的一個(gè)參數(shù)，呼吸機(jī)氧監(jiān)測(cè)的誤差范圍3%左右。

100mbar安全閥：為了保證呼吸機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的時(shí)候患者的安全，當(dāng)患者的氣道壓力高于100mbar的時(shí)候，安全閥打開(kāi)，保護(hù)患者的肺不至于被吹破。

壓力傳感器：用于監(jiān)測(cè)患者的氣道壓力。

吸氣閥：氣體通過(guò)吸氣閥進(jìn)入患者的肺。

吸氣管路：連接吸氣閥與患者的肺。

圖1.呼吸機(jī)一般原理圖

呼氣閥：氣體通過(guò)呼氣閥排向大氣。

呼氣閥管路：連接患者的肺與呼氣閥。

PEEP閥：控制呼氣閥的打開(kāi)和關(guān)閉，進(jìn)而控制呼氣和吸氣的轉(zhuǎn)換。PEEP閥的靈敏度，關(guān)系吸氣和呼氣的延時(shí)，是呼吸機(jī)通氣品質(zhì)的重要反映。大多數(shù)呼吸機(jī)PEEP閥都是電動(dòng)氣控的。

圖2.Savina呼吸機(jī)基本工作原理圖

流量傳感器：用于測(cè)量從患者肺中呼出的潮氣量，呼出潮氣量縮寫(xiě)是VTe。VTe反映了患者的實(shí)際吸入潮氣量。

上述的各種部件必須有精密的控制系統(tǒng)才能協(xié)調(diào)的工作。這個(gè)精密的控制系統(tǒng)就是電路板及相應(yīng)的軟件。為了方便呼吸機(jī)和醫(yī)護(hù)人員的信息溝通，呼吸機(jī)必須設(shè)計(jì)強(qiáng)大的用戶交互系統(tǒng)。

2.Draeger呼吸機(jī)的原理

目前市面上常見(jiàn)的德國(guó)德?tīng)柛窆救詈粑鼨C(jī)分別是Savina，Evtia4，V500。Savina是90年代呼吸機(jī)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，Evtia4是2000年市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，V500是2012年至今市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。這三款呼吸機(jī)混合器設(shè)計(jì)有較大差異，通氣品質(zhì)也有高低，下面分別介紹。

2.1 Savina呼吸機(jī)

Savina呼吸機(jī)獨(dú)特的混合器設(shè)計(jì)，氧氣混合采用8個(gè)流量不同的電磁閥，通過(guò)程序的控制，間歇性的打開(kāi)各個(gè)電磁閥，來(lái)提供所需的氧氣?？諝饣旌鲜褂脺u輪泵從大氣中抽取空氣，經(jīng)過(guò)三層過(guò)濾后輸送給患者，送氣量是負(fù)反饋調(diào)節(jié)的。其原理圖見(jiàn)圖2。

圖2中V7.1～V7.8是8個(gè)電磁閥，電磁閥后面接了開(kāi)度不同的8個(gè)氣阻R5.1～R5.8。因?yàn)橹行墓┭醯膲毫是穩(wěn)定的，所以每個(gè)氣阻的流量F是一定的，它們的關(guān)系是：F=P/R。

R5.1的阻力最小，所以流過(guò)R5.1的流量最大；R5.8的阻力最大，所以流過(guò)R5.8的流量最小。呼吸機(jī)的控制系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出所需的流量，從而選擇性的打開(kāi)某幾個(gè)電磁閥，產(chǎn)生所需的氧氣流量。最后總的氧氣流量會(huì)集中儲(chǔ)存在氣容Volumen中，等待和空氣進(jìn)行混合。

Savina呼吸機(jī)空氧混合是靠渦輪泵實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)醫(yī)護(hù)人員設(shè)定好了吸氣流速和氧濃度之后，呼吸機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出所需要的氧氣流量和空氣流量（氧氣流量+空氣流量=總流量）。氧氣流量通過(guò)V7.1～V7.8進(jìn)行調(diào)配，總流量通過(guò)渦輪泵和內(nèi)部流量傳感器S1和負(fù)反饋調(diào)節(jié)閥V1進(jìn)行調(diào)節(jié)。

S1用于測(cè)量總流量的大小，如果流量偏小，系統(tǒng)給V1一個(gè)負(fù)偏離的信號(hào)，調(diào)小V1的開(kāi)度，減小返流流量，讓更多的流量流過(guò)S1，進(jìn)而輸送給患者。當(dāng)S1測(cè)量得到的流量偏大，系統(tǒng)給V1一個(gè)正偏離的信號(hào)，調(diào)大V1的開(kāi)度，增大返流流量，讓較少的流量流過(guò)S1，進(jìn)而輸送給患者。在這種反饋機(jī)制下，系統(tǒng)會(huì)建立一個(gè)平衡，最終產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的流量。

圖3.紅寶石閥的結(jié)構(gòu)示意圖

這就是Savina的基本工作原理。由于Savina不需要中心供空氣，所以它的應(yīng)用范圍非常的廣，在目前中國(guó)市場(chǎng)上有較高的使用率。

2.2 Evtia4呼吸機(jī)

Evtia4呼吸機(jī)必須使用壓縮的氧氣和壓縮的空氣，氣體混合是靠紅寶石閥實(shí)現(xiàn)的。紅寶石閥又叫做高壓伺服閥，其關(guān)鍵部位使用了紅寶石，所以稱(chēng)為紅寶石閥。紅寶石閥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3中綠色球形閥門(mén)就是紅寶石，根據(jù)圓球和平面的距離控制閥門(mén)開(kāi)度。圓球與平面距離越近，開(kāi)度越小，流量越??；圓球與平面距離越大，開(kāi)度越大，流量越小。高壓的氧氣和空氣，經(jīng)過(guò)紅寶石閥，直接變成了低壓的氣體，可以直接輸送給患者。

Evtia4的整體氣路圖見(jiàn)圖4。

圖4中Y2.1是空氣紅寶石閥，Y2.2是氧氣紅寶石閥。混合好的氣體直接進(jìn)入吸氣閥，然后直接送給患者。由于紅寶石閥非常的精密，所以Evtia4對(duì)于氣源的純度要求非常的高。如果氣源中存在雜質(zhì)，會(huì)影響紅寶石閥的運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生故障。所以Evtia4在進(jìn)氣端安裝了兩片致密的金屬過(guò)濾網(wǎng)，分別是F1.1和F1.2。這兩片過(guò)濾網(wǎng)要定期清理，否則可能會(huì)堵塞。

圖4.Evtia4的整體氣路圖

2.3 V500呼吸機(jī)

V500呼吸機(jī)是德國(guó)德?tīng)柛窆?012年推出的一款全新的呼吸機(jī)。它構(gòu)架與windows操作系統(tǒng)之上，能夠更加方便的與用戶進(jìn)行信息交換。它采用獨(dú)特的低壓伺服閥結(jié)構(gòu)，巧妙的運(yùn)用正反饋機(jī)制，能夠以較低的供氣壓力輸出較高的吸氣流量。下文一起探索V500呼吸機(jī)混合器的工作原理，圖5中A框中所示為混合器。

在圖5中1是空氣源，2是氧氣源。V5，V6，V8是低壓伺服閥。每一個(gè)低壓伺服閥中包含一個(gè)高精度的流量傳感器，他們各自有一套負(fù)反饋機(jī)制。因?yàn)榇嬖诜答仚C(jī)制，所以空氣源1，可以接高壓的空氣也可以接低壓的空氣。當(dāng)用戶設(shè)置好氧濃度和吸氣流量之后，V500會(huì)自動(dòng)計(jì)算所需要的氧氣分量和空氣分量，然后把指令下達(dá)給低壓伺服閥V5和V6，由V5和V6自己通過(guò)反饋完成系統(tǒng)給出的任務(wù)，輸出恰當(dāng)好處的氣體。這兩種氣體在氣容7里面均勻混合。這樣就完成了氣體的混合。

與Savina和Evtia4不同的是，V500的氣體混合和氣體輸出不是一起完成的，而是分別完成的。有V5和V6完成氣體的混合，由V8完成氣體的輸送。當(dāng)用戶給機(jī)器下達(dá)輸送定量流量的混合氣的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)給V8下達(dá)指令，V8中存在反饋機(jī)制，所以V8會(huì)獨(dú)立的完成氣體輸送的任務(wù)，把合適流量的氣體輸送給B框，B框是正反饋加壓模塊，用于滿足患者對(duì)于壓力的需求。

3.呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)展望

圖5.V500呼吸機(jī)混合器的工作原理示意圖

隨著現(xiàn)代醫(yī)療科技的進(jìn)步，呼吸機(jī)技術(shù)也會(huì)更新?lián)Q代。從臨床的角度，醫(yī)護(hù)人員希望呼吸機(jī)能夠滿足他們的各種需求，比如：①呼吸機(jī)屏幕更大，更容易查看患者信息；②呼吸機(jī)操作更簡(jiǎn)單，方便臨床的使用；③呼吸機(jī)更智能，可以針對(duì)患者的情況，自行更改模式和參數(shù)；④呼吸機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)更全面，甚至可以把呼吸機(jī)和重癥監(jiān)護(hù)儀融合成一臺(tái)機(jī)器；⑤使用呼吸機(jī)的患者做CT和MRI檢查很不方便，胸廓電成像技術(shù)也會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展。