生理功能辅助仪器

第五章 生理功能辅助仪器 生理功能辅助仪器有呼吸机、麻醉机 、心脏起搏器、人工心肺机和血液透析机 等。这类仪器在人的某种生理功能衰竭或 丧失时，起到辅助完成这种生理功能及治 疗的作用，又被称为生命支持系统。其中 人工心肺机又称人工肺，血液透析机又称 人工肾。本章只介绍上述前三种仪器。 生理功能辅助仪器 呼吸机 麻醉机 心脏起搏器 （ Pacemaker ） 5.1 呼吸机 呼吸机是一种用于抢救呼吸衰竭患者的装置，常 置于危重病人监护中心（ ICU）， 对术后患者进行 辅助呼吸。 现代呼吸机的发展，最早始于 1915年哥本哈根的 Mol-gaard和 Lund， 以及 1916年斯德哥尔摩的外科 医师 Giertz。 1934年 Frenkner研制出第一台气动限 压呼吸机 “ Spiropulsator”， 它的气源来自钢筒 ，气体经两只减压阀，产生 50cm水柱的压力。呼气 时通过平衡器取得足够的气流，吸气时间由开关来 控制，气流经吸入管入肺，当内压力升至预计要求 时，阀门关闭，呼吸停止。 1940年 ， Frenkner和 Crafoord合作，在 “Spiropulsator”的基础上进行改进，使之能与环 丙烷同时使用，成为 第一台麻醉呼吸机 。 1948年美国工程师 Bennett研制成功 间歇正 压呼吸机 TV-2P， 以治疗急、慢性呼吸衰竭。 1951年瑞典的 Engstrom Medical公司生产出 第 一台定容呼吸机 Engstrom100， 取代了当时的 “ 铁肺 ”，救治了大量的由流行性小儿麻痹引起的 呼吸衰竭病人。许多工程师、医师等投入呼吸 机的研究，欧洲各国纷纷生产出代表呼吸机达 到 10种类型。 进入 60年代，呼吸机的应用更为广泛， 1964年 Emerson的 术 后呼吸机 ， 是一台 电动 控制呼吸机， 呼吸 时间 能随意 调节 ，配 备压缩 空气 泵 ，各种功 能均由 电 子 调节 ，根本改 变过 去呼吸机 纯 属 简单 的机械运 动 的 时 代而跨入精密的 电 子 时 代。 1970年利用射流原理的射流控制的气 动 呼吸机研 制成功， 它是气流控制的呼吸机。全部传感器、逻 辑元件、放大器和调节功能都是采用射流原理，而 无任何活动的部件，但具有与电路相同的效应。 80 年代后 计 算机技 术 的迅猛 发 展，使新一代多功能 电 脑 型呼吸机具 备 了以往不可能 实现 的功能，如 监 测 、 报 警、 记录 等。 进 入 90年代，呼吸机不断向 智能化 发 展， 计 算机技 术 的 应 用使呼吸机的性能更 臻完善。 我国呼吸机的研制起步较晚， 1958年 在上海制成钟罩式正负压呼吸机。 1971年 制成电动时间切换定容呼吸机。 呼吸机按其工作方式可分为 气动 手 动、电动 电控（电子控制或计算机控制 ）、气动 电控等， 现代呼吸机大都采用 气动 电控方式。按其应用范围又可分为 成人、小儿及新生儿呼吸机，最先进的呼 吸机可一机多用，适合各种不同的患者。 呼吸机的组成可分为 气路系统和电路系统 两大 部分。呼吸气体用的是空气压缩机压缩的空气（即 所谓气动方式），有的呼吸机还可将氧气通过氧气 管道与压缩空气混合。储气室中的压缩空气经调节 阀进入脉动缓冲室，调节阀的出口压力一般调节在 20磅 /平方英寸。当吸气时，吸气单向阀自动打开， 脉动缓冲室中的压缩空气经过气流量控制阀、吸气 流量传感器和吸气单向阀进入患者气道。患者气道 出口是一个三通管，一路是吸气通道，一路是气道 压力测量通道，一路是呼气通道。当呼气时，吸气 单向阀自动关闭，呼气单向阀自动打开，呼出的气 体经呼气控制阀、呼气流量传感器及呼气单向阀排 入大气。 呼吸机气路系统组成框图 SCS 系统压力传感器系统压力传感器 空气过滤器空气过滤器 空气压缩机空气压缩机 吸气流量传感器吸气流量传感器 呼气流量传感器呼气流量传感器 气道压力传感器气道压力传感器 呼气控制电磁阀呼气控制电磁阀 缓冲室缓冲室 储气室储气室 流量阀流量阀 单向阀单向阀 单向阀单向阀 SCS SCS SCS SCSSCS 大气大气 病病 人人 气气 道道 （ SCS： 单片机控制系统）单片机控制系统） 气路系统是由电路系统（计算机控制、监测、 显示及报警系统）控制的。 控制对象有 ： 2个控制阀 门 （进气流量控制阀，控制范围为 6毫升 180升 /分 ；呼气控制阀，进行开关动作控制）， 2个流量测量 传感器 （吸气流量传感器和呼气流量传感器，测量 范围 6毫升 180升 /分）， 3个压力测量传感器 （系 统压力传 SCS感器（ 0 30磅 /平方英寸）、进气压力 传感器（ 0 40厘米水柱）和气道压力传感器（ -20 140厘米水柱）。 各种传感器的输出经放大后到 A/D转换器，经 A/D数字化后进行计算机处理。计算机通过接口控 制驱动电路，从而控制吸气流量控制阀的开启程度 及呼气控制阀的通断。计算机一般采用 1 2个单片 机芯片。 呼吸机能根据设定值，由微机自动检测 及自动控制。老式的呼吸机多采用开环控 制，现代呼吸机则采用闭环控制。主要控 制的通气方式有以下 4种： 间 歇式正 压 通气方式（ IPPV）。 同步 间 歇式 强 制通气方式（ SIMV）。 潮气量支持通气方式（ PSV）。 可调压潮气量控制通气方式（ PCV） 。 间歇式正压通气方式（ IPPV） 的气道压力 控制波形如图，要求控制参数为：呼吸率 15次 /分 (呼吸周期 T1=4秒 )，吸气时间 T2=1.2秒，上 升时间 T3=0.08秒，暂停时间 T4=0.2秒，呼气时 间 T5 (余量 )=2.6秒 ，潮气量 (每次吸入 )500ml ， 压力上限 P=50cmH2O。 计算机可对压力、流量等参数进行 自动检 测及显示 (有数码显示、 LCD显示及电子模拟显 示等多种显示方式 )，有的呼吸机还用液晶显示 屏实时动态地显示压力波形、流量波形及潮气 量波形。计算机还可以自动测量峰值压力、平 均压力、呼气末压力、自主呼吸同步控制方式 时的呼吸率、吸气呼气时间比、吸气容量、呼 气容量、呼气每分钟容量等。对某些重要参数 ( 如气道压力、潮气量、每分钟通气量、供氧浓 度等 )可进行上、下限越限报警。 现代呼吸机的发展趋势是呼吸监护仪 ，即 不但控制呼吸，而且还能实时监视血氧饱和度 ，以判断呼吸效率如何。另外高频呼吸机也是 一种发展方向。现代呼吸机继续发展各种新的 通气方式，研究最先进的软件技术，使呼吸机 具有学习功能及预测功能，即可自动获得患者 的吸气努力与呼吸机供气之间的压力、流量和 容量的关系，及时预测患者当肺顺应性及气道 阻力等因素变化时的新的需求量，并及时反馈 控制流量阀和电磁阀，使患者和呼吸机保持和 谐。 5.2 麻醉机 麻醉机是手术室必备的设备，它有两个方 面的功能： 一是实施全身麻醉， 即麻醉气体或 蒸气 (氧化亚氮、氟烷、安氟醚和异氟醚等多种 麻醉剂 )与氧气混合后输入通气系统； 二是供氧 和进行辅助或控制呼吸。 第一台麻醉机是于 1846年发明的，实际上 是一个装有乙醚的球形玻璃蒸发器。经过上百 年一次又一次的改进，到 20世纪 80年代末，出 现了由微机控制的具有麻醉、呼吸及监测功能 的全能型麻醉机。 现代麻醉机由四个部分构成： 1.气路系统 气路系统是麻醉气体吸入和呼出的控 制通道，由气源、内气路和外气路构成。 气源是装有麻醉气体的贮气筒和氧气的贮 气筒。内气路由减压装置、气动截断阀和 流量计等部件组成，外气路由单向活瓣 ( 吸气活瓣和呼气活瓣 )、贮气囊和二氧化 碳吸收器等部件组成。 2.蒸发器 蒸发器是麻醉机的关键部件，它既能有效地 蒸发麻醉药液，又能精确地控制麻醉蒸气的浓 度。麻醉蒸气通过截断阀和精密流量计后，与 从减压阀来的压缩空气在贮气囊混合，然后通 过吸气活瓣进入气道，呼气时吸气活瓣关闭， 呼气活瓣打开，呼出的气体通过呼气活瓣进入 二氧化碳吸收器，再回到贮气囊，周而复始， 形成封闭式环流系统。二氧化碳吸收器盛满钠 石灰或钡石灰，用于吸收二氧化碳。 3.呼吸器 呼吸器是用于麻醉过程中控制 /辅助病 人呼吸及全面监测病人状况。根据其驱动 方式可分为电动和气动两种，现代麻醉机 多采用气动呼吸器。气动呼吸器用压缩气 体驱动，靠控制对气容的充气时间，或气 道压力信号的传递来控制呼吸频率和呼吸 比，潮气量、通气量、呼吸频率、呼吸比 等参数均可调节。 4.监测系统 监测系统用于监测麻醉机各部分的工作情况 、病人的通气情况和病人的生命体征，异常时 报警。监测的内容主要有： 气道压力， 潮 气量及每分钟通气量， 氧浓度， 呼气末 CO2 浓度， 血氧饱和度 (SaO2)， 麻醉气体浓度 ， 病人的心电和血压， 其他呼吸参数 (如死 腔气与潮气量之比、气道阻力及胸肺顺应性等 ) 检测。现代麻醉机采用计算机控制，具有先进 的传感系统、气路系统、病人信息反馈系统、 自动控制系统、多参数自动监测、显示及报警 等功能。 5.3 心脏起搏器 （ Pacemaker） 正常状态下，由心脏窦房结产生的兴奋传 导到心房，再由心房传导到心室，引起心脏的 搏动。如果由于心脏疾患而使这种传导受阻 ( 称为房室传导阻滞 )，则心搏减缓，进而危及生 命。心脏起搏器是用一定形式的电脉冲刺激心 脏，使之按一定频率有效地收缩的一种植入式 电子装置。心脏起搏技术是工程技术与心脏电 生理相结合形成的一门新科学。由于对心律失 常治疗有良好效果，受到人们极大的重视。特 别是随着微电子技术和微处理器技术以及新能 源的应用，近年来心脏起搏器技术发展十分迅 速。 早在 1932年 Hyman创制一台 用针刺入 心脏起搏 的重达 7.2公斤的仪器，命名为人 工心脏起搏器以来，这个名称一直沿用至 今。 1952年 ， Zoll创造 用脉冲电流经胸壁 刺激起搏的方法 ，挽救了 32名房室传导阻 滞患者的生命。 1958年 ， Furmam开创心 内膜电极起搏技术 ，同年，由西门子公司 安装了 世界第一个埋藏式起搏器 (固定频 率型 )，并成功起搏心脏 ，从此人工心脏 起搏技术进入成熟期，并得到迅速发展。 70年代 以来又出现了 心房心室顺序起博的心 脏起搏器 ，更符合血液动力学及人体生理要求 。之后又出现了植入人体后能被程控仪根据病 人不同需求而改变不同工作参数的起搏器。随 着临床医学及电子医学的发展， 80年代 后期起 搏工业有了突飞猛进的发展。 现代的起搏器已 经具备能根据病人活动情况自动调节起搏频率 ；根据病人起搏阈值自动调节能量输出；起搏 器与程控器实现了双向实施遥测，起搏器不但 起到起搏心脏的功能，还可以记录心脏的活动 情况，供医生诊断疾病和根据具体情况调整起 搏参数时作参考。 随着起搏器功能的增加， 起搏治疗适应症 也在增加 ，除了最早用于治疗房室传导阻滞和 窦房结功能不良外，现在起搏器也为心肌病、 心衰、房颤、迷走神经综合症等疾病的治疗提 供了更多的选择。同时起搏器的电池的寿命也 有了很大的改善，从最初的纽扣电池到锂碘电 池，再加上自动阈值夺获功能的应用，起搏器 的使用寿命可达 15年以上。起搏器的体积也越 做越小， 目前世界上最小的起搏器为圣犹达 St.Jude Medical公司生产，重量只有 12.8g， 体 积 5.9立方厘米，如一枚一元硬币 。我国从 1976 年开始研制起搏器，至今可以生产锂电池作能 源、钛钢全密封、厚膜电路按需型埋藏式心脏 起搏器。 心脏起搏器的类型有： 固定频率型 (早期产品 )， P波同步型 (早期产品 )， 心室同步型， 房室顺序型， 全自动型 ，其中 、 、 种又称按需型。全自动 型可根据心脏的工作情况自动选择和更换 发送脉冲的方式，其性能已经与人体心脏 生理要求相接近，可自动抗心律失常，自 动抑制心动过速的多余冲动，又能在正常 时自动关闭。 随着电子技术的飞速发展，人工心脏起搏 领域的新技术不断涌现，人工心脏起搏的适应 证也不断拓宽。 双心房起搏 适宜于伴有房内阻 滞的阵发快速房性心律失常患者，能起到治疗 和减少房性心律失常发作的效果。 双心室起搏 应用于充血性心力衰竭伴有室内阻滞的患者， 通过置入冠状静脉窦电极至血管分叉处来实现 左室起搏。目前， 多部位心脏起搏 方式在国内 刚刚起步，其远期疗效和预后以及并发症等尚 需进一步观察和研究。临床上应严格掌握适应 证。 新型的可感知情绪变化的