呼吸机的结构和工作原理

Struggle

一、呼吸机的基本结构和各部件作用



（一）基本结构


呼吸机基本结构如图2-4所示。呼吸机一般由主机、空氧混合器、气源、湿化器、外部管道组成。

整机结构如图2- 5所示。整机南电控箱、机械臂、电源线、气路箱、氧气输气管、小车、脚轮、模拟肺、疏水器、温度探头导线、压力采样口、湿化器、吸气端口、螺纹管、呼气活瓣等组成。

（二）各部件作用


1.呼吸机的气源一般分为电动供气和压缩气源两种。


如果呼吸机心电动机为动力，通过压缩泵或折叠式皮囊等装置产生一定的正压气流，向患者供气，称为电动方式。


如果呼吸机采用压缩气泵，经过过滤、减压、湿化等处理后，再通过管道向患者供气，称为气动方式。


电动呼吸机结构比较复杂，适应范围较广。气动呼吸机比较简单、轻便，但只适于压缩气源供应方便的场合使用。气源是提供患者呼吸所需要的气体部分。

图2-6所示是提供气体的部件——气体，空气压缩系统是呼吸机的气动力源，它采用是无油、洁净、低噪声的膜片式双缸空气压缩机，依靠电动机带动两个活塞做交替上下运动，将空气压缩成具有一定流量和压力的压缩空气源，通过气路传输系统供主机调节作用。空气压缩机的结构如同2 -7所示。

2.主机提供呼吸管理的装置。呼吸机的主机由控制电路、机械运动部件及气路组成。它把空氧混合气体，按照设定的参数，包括通气量、压力、流量、容量、呼吸频率、吸呼比及选定的通气方式给患者供气。 主机面板有三个区域，参数显示区主要硅示气道压力、压力上限设置、压力下限设置、潮气量、吸呼比、呼吸频率、通气方式选择。参数设置区用于各种参数的设置调整。


报警区，压力报管：监测潮气量，监测患者的实际潮气量；
每分通气量监测：监测患者的实际每分通气量；
总计频率监测：监测患者的实际呼吸频率；


系统报警提不和患者通气故障提示，从上至下 为氧气不足、压力上限、压力下限、窒息。


3.湿化加热装置替代鼻腔、口腔对吸入气体的湿化升温功能。主机向患者提供气体加以湿化的装置，称为湿化器。雾化器是将液体雾化处理的装置。气体的湿化、液体雾化，可以对患者的气管、支气管黏膜起到保护作用。通常该部件还具有加热装置，即加热湿化或加热雾化，以便使气体接近人的体温，减少对患者的刺激。湿化作用常用蒸汽发生器或雾化器来实现。


(1)蒸汽发生器：蒸汽发生器是将水加温产生水蒸气来增加吸气中的含量。它是比较符合生理要求的，因为它与口鼻腔的作用一样，使吸人气体既加温叉湿化，构造比较简单。 蒸发器中可加入挥发性药物，如枇杷叶、复方安息得高等，但不能用非挥发性或受热破坏的药物。另外，高热患者也不宜用蒸汽吸人。 蒸汽发生器串联于呼吸机吸气管道之中，它和呼吸道的连接管道要尽量短些，以减少蒸汽的凝聚。蒸汽发生器一艘均装有电阻恒温装置。
湿化器方框图、工作原理罔如图2-8、图2-9所示。

恒温装置如果失控，水温将会剧增，可能造成呼吸道烫伤事故，因此要经常观测水温，或 加控温双回路保险。


(2)雾化器：雾化器是应用气体射流原理，将水滴撞击成微小颗粒，悬浮于气流之中，输入呼吸道进行湿化的装置。雾滴不同于蒸汽，前者为水滴，后者为水分子。水蒸气受温度限制，而雾滴与温度无关。颗粒越多，密度越大，空气的含水量越高。雾滴大小不同，它们在呼吸道中的沉降深度也不同（表2－1）。

雾粒直径大于60μm，在口腔、咽喉即行沉降，小于0.5μm者，虽可进入肺泡但不会沉降，仍随呼气排出，所以雾滴过大、过小不能起到湿化作用。当雾滴直径为3~6μm时，可沉降于呼吸道及肺泡中，能起到良好的湿化作用。雾化液中可加入抗生素、支气管舒张剂等药 物作为呼吸道局部疾病治疗使用。此种雾化器以压缩气体为动力，喷出气体由于减压和并 发效应，其温度明显低于室温。在室温较低时，要进行加热，防止对呼吸道产生刺激。 近年来逐渐推广超声雾化器，利用超声波将水滴击散为雾滴，具有雾滴均匀、有效颗粒密度高、没有噪声等优点，并附有加热装髓，可以调节吸气温度和流量。



超声波是用电子振荡器、驱动压电陶瓷产生的，工作频率为1.5-2MHz，雾粒直径为0.5-10μm。雾化器串联于吸气通道，其工作受呼吸相控制，吸气时有雾化，呼气时停止，间断工作，有效使用。气道湿化：机械通气时的气道湿化包括主动湿化和被动湿化。主动湿化指在呼吸机管 路内应用加热湿化器进行呼吸气体加温加湿（包括不含加热导线，含吸气管路加热导线，含吸气、吁气双管路加热导线），被动湿化指应用人工鼻（热湿交换器）吸收患者呼出气体的热量和水分，进行吸人气体加温、加湿。不论何种湿化，都要求近端气道内的气体温度达到 37℃，相对湿度超过100%，以维持黏膜细胞完整、纤毛正常运动及气道分泌物的排出，以及降低VAP的发生率。人工鼻可较好地进行加温、加湿，与加热型湿化器相比，不增加堵塞 呼嗷机管路的发生率，并可保持远端呼吸机管路的清洁。能增Ⅲ气道阻力，无效腔容积及吸气做功，故不推荐在慢性呼吸衰竭，尤其是撤机困难的患者使用。


4.空氧混合器空氧混合器的输入气体可以是压缩空气、环境空气或压缩氧气。氧气在空气中占21%，因此，利用压缩空气、环境空气也可作为呼吸机的气源，供给呼吸困难的患者进行治疗。对换气功能有障碍的患者，氧浓度必须适当提高，才能满足治疗需求。此时空氧混合器可接压缩氧气源并根据病情变化适当稠整氧浓度，然后将气体送到呼吸机主机。为空氧混合器提供的压缩氧气一般用氧气瓶供给，其中装有纯度为98%的压缩氧气。



新的氧气瓶压力达15MPa(约150kg/cm2)，使用时将氧气瓶中的纯氧经减压器减压后，送 到空氧混合器。吸氧浓度大于50%为高浓度氧，除特殊病例需短期使用高浓度氧外，一般 浓度均不超过40%，但不低于30%。 氧浓度低而且通气量不足的话，气体变换困难，会导致缺氧、二氧化碳潴留产生呼吸性酸中毒。反之，氧浓度过高，对呼吸道和肺组织也有损害作用，它抑制呼吸中枢，加重二氧化碳滞留，同样产生呼吸性酸中毒，导致二氧化碳麻醉、昏迷、甚至死亡。因此，吸氧浓度必须视病情发展不断调整和严格控制。



空氧混合器附有输出氧气压力、流量、氧浓度的监护及报警功能，可以有效地控制吸氧浓度。定压型和定量型呼吸机的空氧混合器有两种不同的方式。 多数定压型呼吸机使用的空氧混合装置都是利用射流原理制成。氧气通过小孔喷嘴形成高速气体射流时产生负压，吸引喷嘴口附近的空气来稀释氧浓度。空气的进入量可控制空氧混合比例，从而改变吸氧浓度。稀释空气量受到吸气流速和时间的影响，吸氧浓度允许在34%-100%范围调节，实际氧浓度一般均在34%-40%。上述空氧混合器是以压缩氧气为动力的。

有少数定压型呼吸机以压缩氧和压缩空气为动力，两者加到混合装嚣后，可通过调节氧流量或空气进入量准确地控制吸氧浓度。定量型呼吸机的折叠气囊的进气口，有空气和氧气两个人口，吸氧浓度受氧流量和通气量影响。如果根据病情需要把吸氧浓度确定之后，则氧流量和每分钟总通气量成正比，即通气量和氧流量必须同时按比例变化才能保持氧浓度恒定不变。如果要求增加氧浓度，可以采用提高氧流量或降低通气量的办法来实现。定量型呼吸机如需要放人纯氧，可在进气口加接储气囊，调节氧流量，使折叠气囊每次充气，储气囊还保留少量纯氧，暇氧浓度即可达100%。如在储气囊前串接一空气人口阀，则可调节储气囊充气程度控制吸氧浓度。


气电换能器是患者吸气信号转换为电脉冲信号的传感器。它是一只用有机玻璃制成的容器，用一片十分平整带有金属片的皮膜分隔成两个腔，一个腔与患者呼吸道相连，一个腔通大气。当患者吸气产生一定负压时，吸动皮膜，使金属片触点接通，在电路中产生触发单 稳态电路脉冲信号。 空氧混合器就是将氧气和空气混合，再按比例调节成治疗所需的安全氧浓度输出给患者的一种装置，按工作原理分为浮标式混合器，机械膜式混合器，电子比例混合器三种。混合器的氧浓度要用测氧计予以检测。

浮标式空氧混合器：由两个独立的氧气流量浮标和空气流量浮标组成，两种气体混合后的输出气体浓度，可从表里读出，横坐标是空气流量，纵坐标是氧流量，两流量读数曲交叉点 即为输出的氧浓度数百分数。浮标式空氧混合器结构简单，价格低，氧浓度可以与氧监测组合在一起监测。机械式空氧混合器，氧气与空气分别从接口氧气输人端和压缩空气输入端进入混合室，两混合室空问大小比例决定了进入混合室流量调节器的气体量多少，也决定了混合气体输出端雾化气的氧浓度比例，这一切均由调节钮推动弹簧的位置来决定混合腔室的大小，当调节钮逆时针旋转到左限位装置时，右腔室最小，左腔室最大，这时混合气室问里全为空气， 输出口的含氧量为21%；当调节钮顺时针旋转到右限位装置时，左腔室关闭，右腔室全开， 这时混合腔室里全为氧气，输出浓度为100%；当旋钮到某一位置时，左右腔室大小发生改变，输出氧浓度也随之相应改变。操作简单，读数直观，故障率低，体积小巧，价格适宜。


国外生产的空氧混合器，故障主要是空压机里的冷凝水进人到混氧器生锈，导致腔体变位不准。国产的新型空氧混合器结构在这方面作了重要改进，腔室由钢体改为石黑腔体，弹簧也改为不锈钢，故障率低于进口的。如果进入到混氧器的供气气源压力差达到0 05-0. 12MPa时，哨音发生器发出呜声报警。国外的铜制哨呜器，也会因水锈导致报警失灵，国产的改为硅胶。


比例电子空氧混合器是闭环控制系统的一种，它的输出变量（氧浓度）与输入信号（空气和氧气的流量）是通过电磁阀混合控制阀完成比例关系的，当输入空气、氧气的压 力和温度不变的前提下，首先将它们的其中某一个流量的变化，进入到控制反馈系统变为第一次空气或氧气的输出变量，然后将这个输出变量通过传感器与标定值的氧浓度反馈给控制器，计算出第二次变量，再去调节输入变量的大小，从而使最终输出变量氧与标定值的误差是最小的，二次反馈式系统的输出变量与初输人变量的变化呈线性关系变化，是精度最高的。



电磁比例空氧混合器：由两组并联的压缩空气接口1和控制氧气接口2组成了多孔电磁比例阀人口，里面并联有多个空气和氧气电磁阀。在吸气过程巾，控制电流流经伺服阀内的线圈，将阀球从阀座拉起，使闽球与阀座之间形成一个环形沟，通过调节阀门线阁的电流改变控制阀门开启程度的大小。环形沟开闭程度和供气压力的大小共同决定了输出端压力调节处的混合气体的流量和比例，实现输出氧浓度按比例发生变化的需求。在呼气过程中，阀体被压进阀座里，阀口关闭，混合腔内装有不断搅动余留的气体，使空气、氧气充分混合的混合瓣。因为其像钢琴键般组合，救称其为琴键阀，又称为比配阀，优点是反应时间快，其流量变化曲线是呈方波状流是快速递增或快速递减过程，故其控制精确，常用于高档呼吸机的 氧浓度和流量的控制。



氧电池的工作原理及性能检测，用于测量混合后送给患者的混合气体的真实氧浓度的氧电池，其原理是基于氧化锆对氧的敏感性，在铂电槛催化下，氧气在参与氧化还原过程中会 产生电势差，进而转化成电压信号。在恒定工作压力和恒定温度条件下氧浓度在21%-100%段输出的电压为14% mV~（20±5) % mV。输出电压在整个寿命期内基本上是稳定的。


5.外部管道（呼吸回路附件）：呼吸机外部管道的作用是把经过湿化或雾化的气体供给患者，同时把患者呼出的气体通过呼吸活瓣直接排出。外部管道还要把呼吸信号反馈给 主机，以便达到同步呼吸，有效地改善患者的换气效能。


(1)气管插管和气囊套：气管由橡胶或蛆料制成，其较硬适度，便于插入而又不至于损伤上呼吸道黏膜。插管还需装配由乳胶或薄膜塑料制成的气囊套。使用前将囊内气体 排尽，插入气管后自然膨胀，可以堵住管间隙，防止漏气。如密闭效果不够理想，还可酌量注入空气。气管插管和气囊套的外形如图2-10所示。

(2)面单：临床上常用面罩有两种。一种用于麻醉机，为胶质面罩，裙边为充气环囊，用以增加与面颊皮肤的接触面，防止漏气和减轻管部压力。第二种为有机玻璃面罩，边沿为乳胶制成的充气囊垫，具有重量轻、柔软、密贴等优点，用作同定面革。吸气面罩一般分大小和特小号四种，萁形状有很多种，在某些部位采用透明有机玻璃制作，但总的应做到大小适中，边缘柔软能紧贴面部，不漏气，不损伤面部，无效腔小。螺纹管、呼吸囊和吸气罩等患者回路的总要求是能抗静电，不易腐蚀，质地软柏弹性，易于化学消毒或高温消毒。


(3)螺纹管：螺纹管用作呼吸机的通气导道，多用橡胶制成。为防止管腔扭曲引起管腔狭窄或阻塞，采用螺纹折叠结构，橡胶制品虽有不易阻塞的优点，但内壁不平，增加气流阻 力，且随气压变化而伸缩，增加呼吸机的无效腔效应。近年来，采用软塑料导管，管壁内有螺旋弹性钢丝，较好地克服了上述缺点。


(4)两通呼吸阀：有机玻璃阀体有两个通道，一端通道进气，另一端与患者相连。呼气口为阀体，上面排列成环形的10个小孔，其E覆盖一片薄膜乳胶，使之成为单向阀，阀体内还 有一鱼嘴阀，由硅胶制成，其底座为圆形内陷薄片，可向前推移，并能借其自身弹性后移复位。加压吸气时，鱼嘴阀底座被推向前，堵塞呼气孔，空气经鱼嘴阀进入呼吸道，当加压终止 并转为负压时，鱼嘴阀底座后移复位，呼气孔开放，肺内气体即可借胸肺弹性的回缩，排出体外。


6.流量计用于计量输入纯氧的流量，量程0-15L/min。


7.单向阀位于混合腔一端，作用是防止气体外逸。


8.储气囊容量为1L的标准皮囊，用于储存纯氧气体。


9.PEEP功能部件PEEP阀，可用范围是0-0. 000 967MPa，通过一转接头将PEEP阀与呼吸机的呼气口连接，通过调节PEEP阀上的旋钲可轻松调节PEEP值。






二、呼吸机的基本工作原理





（一）呼吸机工作过程和基本原理


肺的吸气功能是在呼吸肌收缩时，胸廓容积扩大，肺泡膨胀形成负压，从外界吸人空气呼吸肌放松时，肺泡因弹性收缩，使肺内压力增大，向外呼出气体。呼吸气流是由肺泡和大气压间的压力差形成的。人工呼吸机的基本原理就是用机械的办法建立这一压力差，从而实现强制的人工呼吸过程。呼吸机工作原理框图如2-11所示。

氧气气体进入气路箱，经过滤器后，通过一个电接点雎力表来对气源压力进行监测，当气源压力下降到调定报警压力时，电路报管。氧气经过减压阀，将压力限制在0.4MPa，然后氧气通过电磁阀，到达节流阀，通过调节节流阀可控制通向患者的气流大小。流过节流阀的高速气体在空氧混合器的人口端产生负难，带进一定比例的空气，空氧混合后的气体进入气道。


为了安全起见，在气道中设计了安全闷，安全阀是用来限制患者气道的最高压力的， 一般调定为6kPa。 当气道压力超过气路系统安全压力时，安全阀开放泄气。气流经过吸气流量传感器，转换成系统用的监测信号，用于监测吸气潮气量和每分通气量，然后进入湿化器。在湿化器里气体被湿化并加温到人体所需要温度，然后经输气管道送至患者。患者呼出的气体通过管 道经呼气活瓣排出体外。空气混合气体进入患者肺部的输送过程如下：控制气体进人气道的是节流阀，受操作人 员调节控制，吸气时，电磁阀打开，呼气活瓣关闭，呼气时刚好相反，即电磁阀关闭，呼气活瓣打开，整个过程受电子控制系统的控制。定时控制部分提供整机工作的各种节拍．包括吸气 时间、自主呼吸时的切换信号、电磁阀的驱动信号和呼气活瓣控制信号。



主机扳部分提供基本时钟，对流量传感器信号处理，管理键盘和显示处理，处理各种报警信号，进行压力监测，采样部分主要临测患者与气道压力井送至面板显示，产生压力报警和患者触发信号，监控整机电源情况，在电压异常时报警。面板显示部分主要完成参数设置 和数据显示。开关电源部分主要为整个系统提供各部分正常工作所需电源。


（二）呼吸机控制部分工作过程


呼吸机控制部分南程序时间控制器、基准信号发生器、吸气控制器、呼气控制器、监控报警装置组成。


1.程序时间控制器其作用是根据预置参数产生吸气时间信号和呼气时间信号，并能从监测装置取得流量、压力报警信号，以及时地调整吸气和呼气的时间。该定时控制器还能产生多种时问信号供其他分系统使用，用控制时问的办法改变呼吸机的工作方式，如定容、 叹息、同步间歇强制呼吸等。


2.基准信号发生器它可以产生方波、加速波以及不吸气信号的波形，用来控制吸气流量的变化。三种基准波形如图2-12所示。

在吸气时间内，恒流波为方波，不吸气信号则与其相反。加速波由3条折线组成，第一条折线由吸气时问开始，以一定的效率上升至2／3吸气时间处，然后以同样的速率下降至吸气时间结束，笫三段为吸气时间结束时，垂直下降到零。三种基准信号波段都是用模拟集成电路实现的。选用不同波形时，呼吸气流和气遭压力的相应波形如图2-13所示。

3.吸气控制器是一个独立的自动控制系统，它将传感器测出的向患者供气流或气道压力与呼吸机主控制面板设定的流量或压力参数相比较，然后将误差信号放大，再经压控振荡器转换成相应频率的脉冲信号去驱动步进电机再由步进电机调整吸气阀的开合程度，使供给患者的实际吸入气流量或气道压与设定的参考值一致，从而实现流量或压力的自动控制。吸气流量控制回路方框图和气道压力控制回路方框图2-14和图2-15所示。

在吸气期限间，主控面板设定的流量或气压参数由基准信号发生器转换化为相应的模拟电压控信号。经PID(比例、积分、微分)、校正、放大看后输到压振荡器VCO进行变换，模拟信号变成为数字信号，VCO输出脉冲频率与控制信号的幅度成正比。 脉冲信号再经功率放大后去驱动步进电机转动，使吸气阀门打开相应的角度。具有一定氧浓度并经过过滤的洁净气体通过流量传感器、伺服阀、湿化器输到患者呼吸道。系统中的吸气流量传感器，将实时地检测管路中的气体流量并将其转换成电量，经前置放大和线性化处理后，反馈到吸气回路的输入端与给定的预置信号进行比较即在误差信号计算器里将两种不同极性的信号做加法运算。



若计算结果误差信号大于零，说明吸气阀门开度角小，此时喜者吸气量偏低。正误差信号将使吸气阀门进一步开大，用反馈量增加到与控制信号相平衡；若是计算结果得到负误差信号，说明吸气阀门开度角偏大，此时患者吸气量过大．昕以负误差信号要使阀门开度角减少，使反馈量减小到和控制信号刚好平衡为止。 吸气调节过程一结束，基准信号发生器立即输出一个不吸气方波信号，使误差信号计算器产生一个幅度很大的负误差信号。经V-F变换后，去驱动步进电机以每秒500步的速度将吸气阀门迅速关闭。转入屏气（吸气阀门、呼气阀门关闭）和呼气状态。气道压力的控制过程与此过程相似。


4.呼气控制器：吸气过程结束后，有一小段时间是屏气过程，接着程序时间控制器就发出开始呼气的时间指令。预置的呼气流量信号经过位置计算和脉宽功率放大后，驱动电磁铁使呼气阀门打开。患者呼出的气体经过疏水器、呼气流量传感器、伺服阀、呼气出口止回阎排人大气。为了使患者呼气通畅，呼气流量控制信号一般都设定存100L/min以上。



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