呼吸機流量傳感器原理分析

溫州市中醫(yī)院設(shè)備科 （浙江 溫州 325000）

內(nèi)容提要：呼吸機是生命支持類設(shè)備中最重要的設(shè)備之一，目前在臨床上已廣泛地應(yīng)用于急診、手術(shù)室和ICU中。而呼吸機中的流量傳感器，作為呼吸機中不可或缺的組成部分，呼吸機參數(shù)的采集與分析都離不開它，甚至直接影響其的準(zhǔn)確性和有效性。文章對幾種常用呼吸機流量傳感器的結(jié)構(gòu)以及工作原理進(jìn)行分析，并且探討常見幾種常用流量傳感器的維護(hù)及保養(yǎng)，希望對相關(guān)人員有所幫助。

呼吸機是緊急情況下或醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室中的常見生命支持設(shè)備。支持具有生理呼吸功能的患者，以及無法自發(fā)呼吸的重病患者，可減少呼吸功能的消耗，并支持呼吸和循環(huán)功能。它可以治療由各種疾病引起的呼吸衰竭，并有助于患者在大手術(shù)后呼吸。通過不斷發(fā)展的現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)和不斷改進(jìn)的呼吸技術(shù)，已在臨床上用作急診室，手術(shù)室和重癥監(jiān)護(hù)室的生命支持設(shè)備。

1.流量傳感器

流量傳感器普遍都設(shè)置在呼吸機的呼氣端，它的主要目的是測量呼出氣的潮氣量，通過與吸入氣的潮氣量比較，從而判斷出呼吸機的氣路連接情況、設(shè)備狀態(tài)、患者的生理狀態(tài)，市場上也有一些品牌的呼吸機采集呼出氣的潮氣量數(shù)據(jù)控制呼吸機運作。

不同的流量傳感器根據(jù)放置位置的不同，可分為末端流量觸發(fā)模式和近端流量觸發(fā)模式。目前市場上的呼吸機，如Drager、PB系列、Bear、鳥牌、西門子等，都采用呼出末端檢測流量檢測，如Drager Babylong 8000、Bear750和HAMILTON GALILEO等，則采用近端流量觸發(fā)方式，可以將這種類型的傳感器安裝在呼吸回路Y端口和患者的氣管插管之間[1]。在近端觸發(fā)模式下，管道泄漏的影響很小，靈敏度提高了，可以直接測量患者的抽吸流量。這種造成混亂的主要原因是管道中水和分泌物的影響。呼出末端觸發(fā)方式是通過測量傳感器送氣端和呼氣末端之間的流量差來獲得觸發(fā)信號。觸發(fā)信號的工作原理如下：呼吸機在風(fēng)扇的空氣供應(yīng)連接處向空氣管道提供恒定的基本電流f，通過y接口并通過呼氣閥放電。管道中的流量傳感器記錄當(dāng)前的fE，當(dāng)患者吸入氣體時，部分氣體會進(jìn)入患者的肺部。（f-fE）≥對于設(shè)定的流量接收器靈敏度（Fens），呼吸機向觸發(fā)的患者提供空氣。

例如，正在使用泰克Pb840呼吸機的時候，通常使用流量觸發(fā)方法。呼吸機產(chǎn)生基本流量（Fens+1.5L/min），呼吸機在吸氣和呼氣結(jié)束時記錄流量傳感器的測量值，并確定差值。當(dāng)患者吸氣時，呼吸階段的流量傳感器的測量值會降低，但呼氣階段的流量傳感器的測量值不會改變。如果患者進(jìn)氣階段流量傳感器的測量值與呼氣流量傳感器的測量值之差大于流量觸發(fā)器的設(shè)定值，則通氣將一次提供觸發(fā)的空氣。壓力觸發(fā)方法和流量觸發(fā)方法之間的主要區(qū)別在于，在壓力觸發(fā)期間，患者必須克服氣道阻力和呼氣正壓（PEEPi），患者的呼吸肌可以做很多事情，流量觸發(fā)方法是呼吸回路中的空氣可以消除壓力。死腔的撞擊和順應(yīng)性確?；颊呖梢栽谖胫芷谥泻粑迈r氣體，并具有相對較高的靈敏度以減少呼吸肌肉的負(fù)擔(dān)[2]。

2.流量傳感器工作原理

當(dāng)前，在流量觸發(fā)模式下使用的傳感器主要有4種方法。即：壓差流量傳感器、熱絲流量傳感器、壓力應(yīng)變流量傳感器、超聲流量傳感器。

2.1 壓差流量傳感器

壓差流量傳感器會通過流量噴嘴，特殊孔口文丘里管和其他流量限制器的流量壓力下降。機器內(nèi)部的壓力傳感器檢測一對壓力測量孔中的壓降，根據(jù)質(zhì)量守恒原理和貝努利定律，壓力損失轉(zhuǎn)換為流量。流量傳感器具有薄膜，空氣可以通過薄膜在兩個方向上通過可變孔。孔的開放隨著流量的變化也隨之變化。隨著流速的增加，它會緩慢打開，從而在孔的內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生壓力差。同時，呼吸機的壓差傳感器識別到壓差與流量成正比變化，并根據(jù)質(zhì)量守恒原理和貝努利定律計算流量。

2.2 熱絲式流量傳感器

基本原理是將一根細(xì)金屬線（在不同溫度下金屬線的電阻不同）插入被測氣流中，并通過電流加熱金屬線以使其溫度高于液體溫度。隨著待測氣體吸收流經(jīng)加熱絲的熱量，加熱絲溫度下降。氣體中加熱元件的散熱取決于流速，通過散熱電熱絲的溫度發(fā)生變化，電阻發(fā)生變化。流量信號則意味著經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘栟D(zhuǎn)換和處理后，它將轉(zhuǎn)換為電信號以測量氣體流量。一旦打開電源，電熱絲的電阻就會迅速變熱，其電阻會迅速增加，最終達(dá)到平衡[3]。當(dāng)流量計流體通過交換流動時，電熱絲和阻抗變化使得電橋電路之間的溫度平衡被破壞，這時需要依靠提供的反饋電壓信號來測量流體的流量。測量電路惠斯登橋電路（圖1）：當(dāng)沿對角線的電阻乘積相等時，即當(dāng)R1×R3=R2×Rx時，點A的電位等于點B的電位，當(dāng)熱敏電阻Rx由進(jìn)氣空氣冷卻，電阻值降低，于是點A和點B之間產(chǎn)生電位差，運算放大器探測到這個電位差，增加了橋式電路的電壓，因此，熱絲電阻Rx電流也增加，熱絲電阻R2的溫度升高，并且電阻相應(yīng)地增加，因此，A點處的電勢等于B點處的電勢。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，如果一直使用過后的熱絲流量傳感器，就會在熱絲上積累雜質(zhì)，這個問題可以通過燒盡方式處理，在流量校準(zhǔn)過程中，自動加熱熱絲傳感器中的熱絲，使其在1s內(nèi)達(dá)到有效高溫，燒掉附著在熱絲上的灰塵。

圖1.惠斯登橋電路

2.3 壓力應(yīng)變流量傳感器

壓力應(yīng)變流量傳感器在呼吸回路中有一條非常細(xì)的平行支氣管管路，該管路使用此通道進(jìn)行流量測量。將細(xì)連桿攜帶的金屬薄板安裝到支氣管上，固定細(xì)連桿的一端，另一端連接到金屬板上，并在細(xì)連桿和金屬板之間安裝壓力應(yīng)變傳感器。當(dāng)呼吸氣體流過金屬板時，連桿朝著壓力應(yīng)變檢測器擺動，應(yīng)變儀的電阻發(fā)生變化，并且可測量的電信號跨過應(yīng)變支腿輸出。這其中的信號大小取決于氣體流速。

2.4 超聲流量傳感器

超聲波傳感器可以通過接收到的超聲波檢測到流量，是因為超聲波在流體的流動中傳播時就流量的變化而變化，從而轉(zhuǎn)換成流量信息。因此，根據(jù)信號檢測方法的不同，超聲流量傳感器的主要類型有多普勒法類型和聲時差法類型。多普勒速度測量的原理是測量粒子的運動速度或被粒子散射的光的頻率變化。聲束法通過測量來回超聲波脈沖傳播速度的差異來反映流體的速度。

3.流量傳感器的維護(hù)保養(yǎng)

3.1 壓差式流量傳感器

在應(yīng)用和制造角度來看，壓差式流量傳感器可以分為內(nèi)置式和外接式兩種。內(nèi)置型為吸入式，外置型為呼出式，按設(shè)置位置可分為有近端型和遠(yuǎn)端型兩種形式。近端型通常由有機材料制成，主要供一次性使用，制作工藝簡單，該傳感器被放置在靠近患者插管或氣管插管的地方，容易被患者分泌物影響準(zhǔn)確性[4]。遠(yuǎn)端型安裝在呼氣回路的末端，可配置過濾保護(hù)器，通常由耐用的鋁合金或有機材料制成。維護(hù)近端和遠(yuǎn)端壓差式流量傳感器，以保持流量傳感器的清潔，通常采用多種方式，如浸泡、氣體或高溫。在清洗過程中，一定要注意沖洗內(nèi)部的時候，水流不能太大，否則會造成限流片變形，影響測量準(zhǔn)確性。

3.2 熱絲式流量傳感器

在應(yīng)用和制造角度來看，熱絲式流量傳感器可以分為外置近端和遠(yuǎn)端及內(nèi)置遠(yuǎn)端三種類型。外置型通常由有機材料制成，有一次性和耐用型兩種。由于安裝和檢測的位置靠近患者插管或氣管插管，會受到分泌物的影響。內(nèi)置型安裝在呼吸機呼氣回路的末尾，可通過過濾保護(hù)器保護(hù)，通常由耐用的有機材料制造不受分泌物影響。無論何種熱絲式流量傳感器，損壞的原因大多是由熱絲破裂造成的，主要損傷原因是由于患者的呼吸道分泌物附著在熱絲，腐蝕熱絲所導(dǎo)致的。因此必須保持熱絲流量傳感器的清潔，目前消毒方式主要通過氣體、消毒液或高溫消毒，消毒時注意避免在消毒液中劇烈搖晃，造成熱絲的斷裂。

3.3 壓力應(yīng)變式流量傳感器

壓力應(yīng)變式流量傳感器基本由彈性體、電阻應(yīng)變片以及檢測電路組成，按照它的結(jié)構(gòu)和工作原理，通常分為內(nèi)置型和外置遠(yuǎn)端型，由于平行支氣管路較小，容易受到空氣中的雜質(zhì)和患者呼吸道的分泌物影響，必須加上過濾器使用，使用后需用酒精浸泡消毒，等到自然冷卻干燥后方可使用[5]。

3.4 超聲式流量傳感器

超聲式流量傳感器分為外置型和內(nèi)置型兩種，使用時不會受到患者呼吸道的分泌物影響，故而維護(hù)保養(yǎng)相對其他類型的流量傳感器有較少的工作，可以使用消毒液和氣體消毒，消毒時注意避免碰撞，碰撞容易損傷晶體，并且要注意電氣接口的干燥，不得有水，否則會引起短路。

4.小結(jié)

流量傳感器是氣路系統(tǒng)的重要部件，其所得的檢測值不單單是一個數(shù)據(jù)顯示，還會反過來控制呼吸機，并且也是患者監(jiān)護(hù)以及報警預(yù)設(shè)的重要參數(shù)。因此，呼吸機參數(shù)的采集與分析都離不開流量傳感器，甚至直接影響其的準(zhǔn)確性和有效性。不同類型的流量傳感器維護(hù)大有不同，為了提高患者的急救成活率，降低呼吸機故障率，臨床使用人員和醫(yī)工人員應(yīng)加強呼吸機特別是流量傳感器的維護(hù)保養(yǎng)，保障院前急救和重癥患者的生命支持。