呼吸机原理.ppt

小儿机械通气第一节人工呼吸机原理 重庆医科大学儿童医院急诊科匡凤梧 概述 正常人呼吸过程 外呼吸通气过程 气体进 出肺泡换气过程 肺泡毛细血管与肺泡间的气体交换内呼吸毛细血管内气体与细胞间的气体交换过程 平静吸气 膈肌和肋间肌收缩 胸廓扩张 胸腔内容积增大 胸膜腔压力从 0 49kPa降至 0 98kPa 肺泡内压力从0降到 0 2kPa 上呼吸道与肺泡间的压力差使气体进入肺内 平静呼气 为被动过程 膈肌和肋间肌松弛 胸廓和肺靠弹性自然回缩 肺泡内压增高并超过气道压和大气压 肺内气体排出体外 呼气末肺泡内压为0 即等于大气压 气流停止 自然呼吸 肺通气 人工呼吸机 人工呼吸机是一系列肺通气装置 LungVentilator 的总称 他只能完成气体进出肺泡的通气过程 他不同于人工心肺机 人工肾等人工脏器 不能代行完整的呼吸功能 对气体交换过程的弥散 肺循环等影响少或无影响 故称通气机 有三种类型的人工呼吸机 三种类型的人工呼吸机 负压呼吸机 采用类似于生理情况产生胸内负压将气体吸入肺泡内 正压呼吸机 用正压直接将气体送入肺内 高频呼吸机 采用远高于正常机械通气频率和不同的机制完成肺的通气和气体交换 高频正压通气 HFPPV 高频喷射通气 HFJV 频100 1200次 min 高频振荡通气 HFO 用活塞或振荡膜产生频率3 000次 min以上 如INFRATRONIC Sensormedics 机械通气进展 DeHumaniCorporisFabrica in1555byAndreasWeseleVesalius 铁肺 IronLungs 病人身体位于坚固的容器内 头部伸出在外 颈部以橡皮垫密封 用机械泵使容器内发生周期性正 负压变化 1876年Woillez巴黎研制出第一个铁肺 Spirophore 1928年PhilipDrinker研制出第一台可供使用的铁肺 BathCabinet Dr CharlesBreuillard法国1877 PneumaticChamberWilliamSchwake德国1926 胸甲式呼吸器CuirassesVentilator 是一种坚固的容器 它只将病人胸部或胸 腹部置于其中 头及四肢暴露在外 IgnezVonHauke于1874年在澳大利亚制成了第一台胸甲式呼吸器 1948年Bergman报道用于827例脊髓炎病人 结果15 成活 胸甲式呼吸器 连接真空吸尘器和雨衣外罩 Sauerbruch压差仓呼吸器 ErnstFerdinaNdSauerbruck1904在德国制造 此仓实际为一密闭的小手术室 医生及病人身体位于室内 病人头露在外 颈部周围密封 室内周期性正 负压变化使气体进 出病人肺部 以便进行胸内手术 但是 即使是最好的仓亦未实际用于临床 自动肺泵呼吸器简图K B Pinson美国1944 正压呼吸机 正压呼吸机 通过人工气道 在吸气时通过提高气道口处的压力 使其超过肺泡压 将气体压入肺内 呼气时除去压力 靠胸廓和肺的弹性回缩使气体呼出 Giertz Cauerbruch的助手 于1916证明正压通气比其他任何形式的压差式呼吸机更优越 正压呼吸机是目前呼吸机的主流 正压呼吸机 第一台商用正压呼吸机于1940年问世 目前国际上应用的机械呼吸机多达数百种 新型呼吸机正向多模式 多功能 电脑化和智能化方向发展 新的机械通气模式不断出现 呼吸机除行机械通气外 还具呼吸功能和生理指标的监测 正压呼吸机的分类 根据通气参数 定容定压定时多功能呼吸机根据触发方式 IMV 同步 外控呼吸机根据气流形态 恒流 递增气流 递减气流根据驱动力量 气动电动电控气动呼吸机根据适用范围 婴儿呼吸机成人呼吸机 气动呼吸机 气动呼吸机的通气以压缩气体为动力来源 其所有控制系统也都是压缩气体启动 由高压气体所产生的压力通过呼吸机内部的减压阀 高阻力活瓣或通过射流原理等方式而得到调节 从而提供适当的通气驱动压和操纵各控制机制的驱动压 电动呼吸机 靠电来驱动并控制通气的呼吸机称为电动机械呼吸机 电动机械呼吸机也需要应用压缩氧气调节氧气的浓度 而不是作为动力的来源 电可通过带动活塞往返运动的方式来产生机械通气 或通过电泵来产生压缩气体 压缩气体再推动风箱运动而产生通气 电 气动呼吸机 此种呼吸机在压缩气体及电源二者同时提供动力的情况下才能正常工作和运转 一般情况下 压缩空气和压缩氧气按不同比例混合 提供所需的吸入氧浓度 同时亦产生机械通气的动力 但通气的调节 控制和各种监测 报警系统的动力则来源于电力或微机控制 人工呼吸机的动力系统 气动 用压缩气体提供送气的动力 称为气动呼吸机 电动 电动机挤压气囊或驱动活塞 称为电动呼吸机 电气动 联合压缩气体和电子设备 常为多功能呼吸机 人工呼吸机的控制系统 人工呼吸机控制系统包括触发吸气 终止吸气和完成从吸气向呼气的转换装置 常用控制方式有 气控 如小鸟牌呼吸机 直流电机 上海SC型电动呼吸机 伺服 Servo 流体逻辑和电脑控制 控制参数 时间 IT ET 频率 屏气时间等 压力 PIP PEEP MAP等 容积 VT 分钟通气量 流速等 人工呼吸机的供气系统 供气回路1 单回路送气系统是人工呼吸机最常用的送气系统 压缩空气和高压氧气进入呼吸机经空氧混合和一系列调压装置 输出气体由一条途径送出到病人肺内 2 双回路送气系统此类人工呼吸机具有两套气体回路 一套向病人送气 另一套气体回路与病人不通 只作动力 现已很少采用 回路内供气装置1 活塞汽缸供气系统 由于汽缸顺应性小潮气量精确 直线式外部驱动装置能产生衡流 2 折叠气囊供气系统 由于储气囊本身为一弹性体 输出潮气量变化大 波形可为加速气流 减速气流或恒流 新式气囊系统克服了旧式气囊系统的缺点 可任意调整波形 上述两种系统VT计算方法 VT D2 4 L3 流量控制阀系统 高驱动力高内阻型流量控制阀送气系统 针状活瓣 气流输出恒定 气流输出形式1 持续气流 不论在机械通气或自然呼吸时新鲜气体均按设定的流量恒定而持续地通过送气活瓣进入呼吸机回路 持续气流常用于间歇指令通气 IMV 和持续正压呼吸 CPAP 模式 设定的气流量至少应是病人每分钟通气量的4倍 以满足病人的气体需要 如果气流量不能满足病人的最大吸气流量 则增加WOBp CPAP 2 按需气流 DemandFlow 为间断气流 是成人呼吸机和同步间歇指令通气 SIMV 模式常用的气流输出形式 当呼吸机感受到病人吸气努力时触发同步装置提供气流和正压通气 于两次正压通气间病人呼吸努力亦能触发指令活瓣使呼吸机送出气流 呼气时呼吸机不送出气体 图为SIMV PCV PSV 3 偏流 BiasFlow 为改进的持续气流 在机械通气呼气结束时启动偏流 向自主呼吸的患者提供新鲜气体 气流量随患者吸气力量增加而增加 当患者自然呼气时气道压力升高超过基线水平偏流便自行终止 以减少患者呼气阻力 降低WOB 偏流缩短了呼吸机伺服阀门反应时间 即使气管导管有漏气也可稳定基线压力 适宜的偏流可增加同步灵敏度 偏流流量太大则降低同步灵敏度 4 二重气流 DuoFlow 或称伴流量辅助的SIMV Bennet和西门子Serv300呼吸机称为Flow by 主气流流量大调节范围宽 用于提供足够的潮气量 辅助气流小 Serv300呼吸机成人为2L 分 儿童为1L 分 新生儿为0 5L 分 目的 增加流量触发的灵敏度 气流输出波形1 恒流 如容量控制通气 VCV 2 减速气流 压力控制机械通气 PCV 3 加速气流 潮化器 Humidifier 正常人吸入气体到达气管隆突时温度达37 湿度达100 水份含量达44mg 吸入气体湿度50 70 时气道粘膜纤毛的功能受损 吸入气体湿度75 水份含量33mg 纤毛功能改善 人工气道和机械通气病人必须将吸入气体加热到32 37 湿度80 100 潮化器的种类有水泡式 瀑布式 吸潮式和人工鼻等 人工呼吸机的辅助设施 空氧混合器1 文休氏管 Ventury 此种空氧混合器采用文休氏原理 使高压氧经文休氏管将空气 卷入 通过变换氧气射流管的位置调节 卷入 空气的多少调整氧浓度 此种空氧混合器采用低压流量控制阀送气系统 压力相对较低 氧浓度不稳定 亦不甚准确 潮气量不稳定 2 高精度空样混合器 需高压氧气和压缩空气 0 35mPa m2 50psi 3 5kg cm2 经一系列稳压调压后输入空 氧气比例调节室 以便准确输出不同浓度的氧气 报警系统多项声光报警装置 基本参数包括 空气 氧气输入压力过低报警 窒息报警 气道压力高 低限报警 管路阻塞 漏气报警等 各种警报系统阈值的设定 应根据不同病人的具体病情来进行 压力安全阀 Pop off 即安全漏气装置 保持气道压力不升高 避免报警失灵或反应过慢致气压伤 压力安全阀一般定40cmH2O 监测系统如VTi VTe IT ET 压力 波形 气道阻力 肺顺应性等呼吸功能监测 记录系统记录机械通气曲线 有利于评价病情和治疗经过 选择更合适的通气条件 人工呼吸机工作原理 吸气相的产生 一 控制模式 ControlMode 人工呼吸机通过定时器自动触发送气装置 打开送气阀门进入吸气相 每分钟触发送气的次数即为机械通气频率 现代呼吸机建立控制机械通气频率 即产生吸气相的方式很多 最常采用的有以下三种 1 单纯频率控制2 吸 呼计时器3 独立呼气计时器 PIP PEEP IT ET IT APRV 必要时增加频率 保持恒定的ET改善CO2排除 压力上限和MAP根据氧合目标和肺保护而定 降低PEEP以便 释放出 更多的Vt 40 PCIRCcmH2O INSP EXP 30 20 10 0 10 20 80 60 40 20 0 20 80 40 60 0 4 8 12s 2 6 10 单纯频率控制 人工呼吸机用电子计时系统将一分钟化为若干时间段 实际为每分钟应触发呼吸机送气的次数 如计时器3秒钟触发一次呼吸机送气 控制器的读数应为20次 分 一个呼吸周期为3秒许多人工呼吸机采用了单纯频率控制钮触发人工呼吸机进入吸气相 吸 呼计时器 人工呼吸机采用两个计时器 分别测定吸气和呼气时间 在吸呼时间定好后呼吸周期便确定 每分钟触发呼吸机送气系统的次数 机械通气频率 便决定了 改变任一计时器参数必将改变呼吸机触发吸气相的次数 如小鸟牌呼吸机采用气动计时器 调节气流量 改变三个气体控制小室充盈的时间 SechristIV100B型呼吸机采用石英电子计时系统 独立呼气计时器 用电子计时器或气动计时器确定ET 当ET结束时启动呼吸机进入吸气相 建立通气频率 由于IT受多种因素 如气体流率 潮气量 预定压力等 的影响 因而实际频率不能确定 如OhioCCV 2型SIMV呼吸机用电子计时控制系统设定ET 并根据潮气量和气体流率建立通气频率 由于病人肺部情况可影响气体流率而改变IT 故此种控制模式只能确定ET 二 同步模式 AssistMode 人工呼吸机在感受到病人吸气努力时触发 Triggering 送气系统进入吸气相 病人的吸气努力是人工呼吸机进入吸气相 提供正压送气的根据 机械通气频率完全取决于呼吸机感受到的病人每分钟吸气次数 影响因素包括触发方式 工艺水平 触发灵敏度 反应时间 SIPPV 自主吸气达到触发水平 触发IPPV自主吸气达不到触发水平 不触发IPPV达到预定周期无呼吸 给予非同步IPPV 同步间歇指令通气 SIMV 五种触发模式 直接压力触发系统 压力传感器触发系统 流量传感器 Flow by 触发系统 胸廓阻抗触发系统 腹壁运动与食道压触发系统最佳触发方式的标准是人机协调性最好 感受触发最快 触发反应时间最短 附加呼吸功最小 直接压力触发系统病人吸气时产生的负压使感受膜移位 两电极板接触 送气阀门被打开 呼吸机进入吸气相 通过调节感受膜的位置可改变触发同步所需的负压 灵敏度 如果调节的负压小 病人可用较小的吸气努力触发呼吸机进入吸气相 称灵敏度高 由于病人吸气开始后气道内压力逐渐低 吸气末气道内压力才降到最低 致触发延迟 同步性能差 如Puritan BennetMA 1呼吸机用可曲膜和电接触触发系统 压力传感器触发系统当压力传感器感受到病人的微弱吸气努力时便触发呼吸机进入吸气相 如Siemens900C便采用压力传感器 压力传感器比直接压力触发更敏感 更精确 可达 0 14 2cmH2O 流量传感器 Flow by 触发系统流量传感器能监测到病人吸气时呼吸机回路内极小的流量变化 6ml 分 触发呼吸机同步装置进入吸气相 由于吸气开始时气体流速最大 灵敏度高 反应时间短 同步性能好 明显降低WOB 但有漏气时易发生误触发 Servo300用双流量传感器计算呼吸机回路 吸气臂与呼气臂间 的流量差 Bear750用气道近端热敏传感器 流量触发FLOW BY 流量触发FLOW BY 压力触发 流速 压力 胸廓阻抗触发系统通过胸电极监测病人呼吸时的胸廓阻抗变化波形 病人吸气努力将触发同步正压通气 病人呼气时阻抗随时间变小而结束正压吸气 转为呼气 SechristIV 200SAVITM即采用阻抗触发 腹壁运动与食道压触发系统优点是病人较大的身体运动不会导致在这一部位所记录的压力变化 因而不会导致误触发 主要缺点是不能区分阻塞性与非阻塞性的吸气努力 三 联合模式 1 同步 控制模式 Assist ControlMode A C 当病人呼吸频率超过预设的控制频率时 病人吸气努力触发呼吸机进入吸气相 当病人的呼吸频率低于预设的控制频率或病人呼吸力量太弱不能为呼吸机感受时 呼吸机便通过反馈系统 按设定的通气频率进行机械通气 现代呼吸机常常采用此种模式进入吸气相 它能使病人按照自己的需要建立通气频率 而当病人呼吸抑制或停止时仍能维持适当肺通气 控制通气模式时压力波形间隙十分恒定 而同步通气模式时 每次吸气初有轻微的气道压力下降 紧接着进入正压吸气相 表明病人吸气努力触发机械通气 两次通气间隙不如控制通气模式规则 间歇指令通气模式 IMV 在病人自主呼吸前提下呼吸机再给予一定频率的控制性机械通气 它是控制模式与自然呼吸相结合的机械通气模式 在此种通气模式下呼吸机定时进入吸气相产生正压通气 由于两次正压通气之间呼吸机回路内均有恒定而持续的新鲜气流 病人又可按照自己的呼吸频率和潮气量进行自主呼吸 婴儿呼吸机大多采用此种模式进入吸气相 IMV CPAP类型的呼吸机结构简单 实用 价格较低 PRVC调节PIP适应已改变的VT保持VT不变 同步间隙指令通气 SIMV 将IMV的控制频率启动进入吸气相的方式改为同步触发称SIMV 在成人还常将持续气流改为间断气流 两次正压通气间病人吸努力亦能触发指令活瓣使呼吸机送出气流 提供CPAP而不提供正压通气 以前的指令活瓣灵敏度低 不能用于小儿 目前 先进的多功能呼吸机由于采用了灵敏的流量传感器和双气流技术 灵敏度极高 已能用于新生儿 减少了人机对抗 降低呼吸功 SIMV PCV SIMV VCV SIMV VCV PSV 分钟指令通气模式 MMV 人工呼吸机按设定的MV向病人提供持续气流 病人自主呼吸 如病人自主MV等于或超过预定呼吸机提供的MV时 储气囊不充盈 无正压通气发生 如病人MV低于预定的MV时辅助活瓣会自动开放 以补充不足的气流部分 或以间隙正压指令通气形式补偿不足部分的MV 是否提供正压通气取决于病人VT 呼吸频率和设定的MV 如EngstromErica型呼吸机 吸气相终止 吸气末屏气 吸气已经终止 但呼气活瓣继续保持关闭 呼吸机未进入呼气相 形成一 静止状态 亦称 吸气末平台 吸气末停顿 用秒0 1 1 0 或占呼吸周期的百分比计算 由于VTi被 保持 在肺泡内 使肺泡压与呼吸机回路压达到平衡 使VTi分布更均匀 减少死腔通气 降低VD VT比例 计算胸肺力学特性 吸气末屏气 EndInspiratoryPause 呼气相的转入 转换 Cycling 在机械通气过程中呼吸机从一种时相转入另一种时相状态称转换 如从吸气转入呼气 单独或联合应用压力 容积 时间或流量均可终止吸气相 或从吸气末停顿状态转入呼气 完成从吸气向呼气的转换 压力转换 容量转换 时间转换 流速转换 早年的呼吸机功能单一 只具有一种转换方式 目前的多功能呼吸机具有多种转换方式 构成多种通气模式 许多容量转换型呼吸机用压力转换器作安全反馈装置 当潮气量未送完而压力已超过预定值时 则压力转换机制抢先作用终止吸气相 而Bear呼吸机用时间转换机制作容量控制通气的反馈回路 当IT超过ET时 吸呼时间比异常报警 吸气相终止 转换以外预定的最大参数值称为限制 压力转换呼吸机在正压送气时气道内压力到达预定值便终止吸气相 转入呼气相称为压力转换 而压力以外的因素如吸气时间 潮气量 气体流速等均是可变的 当肺顺应性降低 气道阻力增加时 压力上升快容易达到预定压力 IT缩短 VT减少 当呼吸机回路存在漏气时 气道压力上升缓慢 IT延长 目前 压力转换方法仅用作安全装置 当气道压力超过预定安全值 呼吸机在未完成预定VT时便终止吸气相 转入呼气相 防止气道压力过高产生气压伤 容量转换呼吸机在输出预定的潮气量后停止送气 转入呼气称为容量转换 用流量计 电位计和标尺等方法监测VTi以完成从IT向ET的转换 优点是可以保持稳定的VT和稳定的分钟通气量 当气道阻力或顺应性发生变化时 为保证稳定的VT 吸气压力可有很大变化 IT和流率视病人气道情况和是否为恒流发生器而定 时间转换人工呼吸机在完成预定的IT后终止吸气相转入呼气相的方式称为时间转换 呼吸机的吸气时间固定 但在不同特性的呼吸机 在病人气道阻力和肺顺应性改变时 气道压力 潮气量和气体流率将发生不同程度的变化 流量发生器类型呼吸机 在吸气相时输出恒定的气流 VT亦恒定 压力发生器类型呼吸机 则气体流速和VT随病人气道状况而改变 流速转换呼吸机输出气体流速在吸气相中为变数 吸气开始时很快达到峰流速 此后气体流速随气道压力增加而降低 当流速降到预定值时 终止吸气相转为呼气相称流速转换 双重控制 吸气压力限制 在定时压力限制模式 呼吸机进入吸气相后气道内压力上升超过预定值时呼吸机送出的气体便经压力限制瓣排放到大气中 使压力保持在设定水平 产生吸气压力平台 待设定的吸气时间完成后才从吸气相转入呼气相 经溢出瓣排放的气体不进入气道内 因而不能算作吸入潮气量 由于压力限制的作用是决定吸气峰压 因而决定VTi 双重转换作安全阀现代容积 时间转换呼吸机的用压力转换方式作安全阀 当气道阻力增大或肺顺应性降低使压力超过设定安全阀值时 即使未送入预定的VT值 安全阀开放 强制提前终止吸气 并转为呼气 防止了过高的压力导致气压伤 双重转换 VIASYS 一代天骄呼吸机 AVEA PCV加用流速切换 同步性能更好 传统PCV用时间切换 如预定的IT过长 病人已完成吸气而呼吸机仍继续以预定的压力送气 与病人呼气发生对抗 增加呼气WOB如预定的IT过短 呼吸机已停止送气 转入呼气而病人还在吸气时 增加吸气WOB PSV加用容量限制和IT时间过长限制避免了管道漏气或流速切换的灵敏度设定过低所致的容量超限和吸气时间过长 VIASYS一代天骄呼吸机 AVEA 特点 PCV容量保证范围 成人0 1 2 5L小儿25 500mlPCV容量限制范围 成人0 1 2 5L小儿25 500ml婴儿2 300mlPCV流速切换灵敏度0 45 PSV流速切换灵敏度 5 65 峰流速 通用流速切换灵敏度0 1 20L通用压力切换灵敏度0 1 20cmH2O V