-呼吸机基本原理

2018年1月25日,1,呼吸器基本原理及分类,四川大学华西临床医学院医学技术系贺庆军,2018年1月25日,2,呼吸器？,呼吸机是实施机械通气的工具,临床上已广泛应用于麻醉和ICU中,改善病人的氧合和通气,减少呼吸作功,支持呼吸和循环功能,以及进行呼吸衰竭的治疗.,2018年1月25日,3,呼吸器发展历史,早在1796年,Herholar和Rafn专题报道了应用人工呼吸方法使溺水患者获救。1929年Drinker和Shaw研制成功自动铁肺。现代呼吸机的发展，最早始于1915年哥本哈根的Mol-gard和Lund，以及1916年，斯德哥尔摩的外科医师Giertz。可惜他们的成就缺乏资料记载，仅见于科学通讯报道。,1928年Philip Drinker发明铁肺,2018年1月25日,4,呼吸器发展历史,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。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。 直到第二次世界大战前后才逐渐了解了机械通气的原理，并用于心胸外科手术后呼吸支持。1947年开始有正压呼吸器，呼吸治疗专业迈入重症领域 。,2018年1月25日,5,1942年美国工程师V.Ray Bennett发明一种采用按需阀的供氧装置，供高空飞行使用。以后由加以改进，于1948年研制成功间歇正压呼吸机TV-2P，以治疗急、慢性呼吸衰竭。,2018年1月25日,6,呼吸器发展历史,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。,2018年1月25日,7,呼吸器发展历史,50年代开始，由于心脏外科的发展越来越多的医师认识到机械呼吸的优点。1955年Jefferson呼吸机是美国市场上首先使用最广的呼吸机之一。此外，还有Morch、Stephenson、Bennett和鸟牌呼吸机等四种类型。,2018年1月25日,8,1951年Forrest Bird发明鸟牌呼吸机,2018年1月25日,9,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，是一台电子线路的呼吸机，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。图为1964年Jack Emerson发明多功能呼吸机,2018年1月25日,10,呼吸器发展历史,1970年利用射流原理的射流控制的气动呼吸机研制成功，是以气流控制的呼吸机。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。,2018年1月25日,11,呼吸器发展历史,80年代以来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。,2018年1月25日,12,呼吸器发展历史,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。,2018年1月25日,13,国内外常用呼吸机,PB-7200, 700系列，840Drager Evita 4, Evita XL, Babylog 8000Siemens 900C, servo 300, Servoi Hamilton 系列Bear 1000,750,33,5, Cub婴儿呼吸机Bird 6400ST, STi, Vip Bird, Avian Bird, T-bird, Seris 200NEWPORT 系列呼吸机Taema Horus/Engstrom/ Star等,2018年1月25日,14,国内外常用呼吸机,谊安Shangrila 系列益生SC系列呼吸机SH系列呼吸机,2018年1月25日,15,呼吸机在我国使用情况的调查,2018年1月25日,16,呼吸机在我国使用情况的调查,2018年1月25日,17,呼吸机在我国使用情况的调查,2018年1月25日,18,呼吸机的发展趋势,近20年来，呼吸机的发展非常迅速，临床应用日趋广泛，已经积累了不少经验，有关呼吸机对人体的影响也有了更多的了解，同时也发现了一些亟待解决的问题，临床上也提出了一些新的要求，正是这些问题和要求促进了呼吸机的发展。为了满足这些要求，目前新一代的呼吸机的性能较以往有了很大的改善。如在呼气、吸气转换上，高档机均有两种以上的切换方式；在通气上力求使病人更舒适，减少病人的呼吸功，触发的敏感度越来越高；而最关键的是计算机在呼吸机上应用，微机替代电子控制不但减低了成本，而且误差小，操作更直观、方便，计算机具有自检系统，可以自我检查故障，缩短保养和维修的时间。 可以预测，未来的呼吸机将绝大多数用微机控制，各种性能更完善，操作更直观，实现确实的人机对话。现在的呼吸机本身并不能改善换气功能，这将是未来留给人们的一个重要课题。,2018年1月25日,19,机械通气,人体之呼吸可区分为内呼吸、外呼吸。呼吸器提供湿润及含氧的气体进入肺部，协助人体获得足够之通气(ventilation)及氧合作用(oxygenation)。以呼吸器协助通气之过程称机械式通气。机械式通气可提供无法以自己之能力来完成呼吸者。(例如：肺或胸壁危难者、呼吸困难或接近呼吸困难者)。,2018年1月25日,20,Ventilation support of damaged respiration,2018年1月25日,21,呼吸机临床使用适应症：,1.呼吸停止Apnea2.呼吸衰竭 (合并酸中毒、不能单凭数字判断) -PaO2 60 mmHg on FiO2 0.5 -PaCO2 50 mmHg with a pH of 7.25 or less3.濒临呼吸衰竭.Impending respiratory failure. -M.V. 10 L/M -Tidal volume 5ml/Kg -R.R. 35/M or 8/M -MIP -20-25cmH2O -Vital capacity 1015ml/Kg -Abnormal breathing pattern4.其他 :严重的低血氧、重大的外科手术 、颅内高压者之治 疗性过度通气 (保持 PaCO2 2535mmHg ) 、无效的 呼吸型式,2018年1月25日,22,or 微电脑电子控制系统 气路系统 (二)外部- 设定系统 （微电脑控制） 监视系统（微电脑控制） 警报系统（微电脑控制） 附属零件（呼吸管道、湿化、雾化、显示屏等）,2018年1月25日,39,呼吸器主体,气路,电子控制,2018年1月25日,40,范例:siemens 900C 气路图,1.气体入口 2.压力调节器 3.氧电池l 4.细菌过滤器 5.风箱 6.工作压调节纽 7.压力表 8.安全阀 9.吸气流量传感器 10.吸气阀 11.吸气压力传感器 12.吐气流量传感器 13.吐气压力传感器 14.吐气阀 15.单向阀,2018年1月25日,41,Siemens 900C,Setting,Alarm,Special function,Monitoring,2018年1月25日,42,Positive-Pressure ventilators (侵入式)NPB -7200,监测数据显示区,参数设定区,报警信息显示区,呼吸机操作面板,2018年1月25日,43,呼吸器操作面板,2018年1月25日,44,呼吸图形显示屏幕,2018年1月25日,45,Physical Characteristics of ventilators,From Pilbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and clinical application St Louis,1998, Mosbdy),一、Ventilator power source or input power (electic source or gas source)：1.Pneumatically Powered ventilators 2.Electrically Powered ventilators3.Combined Power ventilators二、Positive - or negative -pressure ventilators三、Control Systems and Circuits1. Open -And Closed -Loop Systems2. Control Panel (user interface)3. Pneumatic Circuit四、Power transmission system and conversion system1. Volume-displacement2. pneumatic designs3. Flow-control valves,2018年1月25日,46,一. Power Source,1. Pneumatically Powered ventilatorsSource gas : 50 psi compressed gas (O2 & air)。Operating pressure会比 source gas 的压力低。( reducing valves)。利用內建的 venturi、air entrainers、needle valves、flexible diaphragms、spring loaded valves來履行其功能。Basic types :pneumatic ventilator (Brid mark 7、MRI ventilator)fluidic ventilator (Sechrist IV-100B),2018年1月25日,47,绝大多数呼吸机需高压氧和高压空气。氧气源可来自中心供氧系统，也可用氧气钢筒。高压空气可来自中心供气系统，或使用医用空气压缩机。氧气和压缩空气的输出压力不应大于5kg/cm2，因此，使用中心供氧、中心供气，或高压氧气钢筒，均应装配减压和调压装置。医用空气压缩机可提供干燥和清洁的冷空气；供气量为5564L/min的连续气流，最大输出连续气流120L/1.5s,工作压力50PSI(3.4kg/ cm2),露点下降510F(-2.8 -5.6)，噪音小于60dB(1m之内)，并有低压报警(30PSI或2.04 kg/ cm2),高温报警(150F或70)及断电报警。滤过器可消除90%以上的污染。使用时应注意每天清洗进气口的海绵及排除贮水器的积水。并观察计时器工作，一般满20003000h应检修一次。,2018年1月25日,48,Power Source,2. Electrically Powered ventilatorselectrical energy (110-115 AC) or batter。用电动马达来带动 air compressor、pistons、electrical solenoid、microprocessors 、 transducers等输送或调整气流(gas flow)给病人。例如: MA1呼吸器,2018年1月25日,49,电力动力 Electric Power (1).美国呼吸器输出电压为110-115V AC(60HZ)。我国的为110-240V。(2).直流电(DC)控制是较为精细的控制(ACDC)。(3). 呼吸器多有备份电池(多为铅-酸电池,约2.5 A/h 的耗能, 可持续1小时, 充电需要8-12小时)。电动型呼吸机不需高压空气，其中部分需高压氧，部分不需高压氧，经氧流量计供氧。,2018年1月25日,50,Power Source,3. Combined Power ventilatorsPneumatically and Electrically Powered， Microprocessor- Controlled Powered。Two 50 psi sources gas 提供压力输送吸气流速。Microprocessor控制呼吸过程。此类呼吸器须同时有气体和电力来源。,2018年1月25日,51,Physical Characteristics of ventilators,From Pilbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and clinical application St Louis,1998, Mosbdy),一、Ventilator power source or input power (electic source or gas source)：1.Pneumatically Powered ventilators 2.Electrically Powered ventilators3.Combined Power ventilators二、Positive - or negative -pressure ventilators三、Control Systems and Circuits1. Open -And Closed -Loop Systems2. Control Panel (user interface)3. Pneumatic Circuit四、Power transmission system and conversion system1. Volume-displacement2. pneumatic designs3. Flow-control valves,2018年1月25日,52,二. Pressure Delivery,呼吸器利用正压差或负压差來增加肺內容积的方式。Positive-Pressure ventilators(most ventilator in use today)Negative-Pressure Ventilators(iron lung、chest cuirass)Combined-Pressure Devices(high frequency oscillators,吸气正压吐气负压),2018年1月25日,53,Physical Characteristics of ventilators,From Pilbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and clinical application St Louis,1998, Mosbdy),一、Ventilator power source or input power (electic source or gas source)：1.Pneumatically Powered ventilators 2.Electrically Powered ventilators3.Combined Power ventilators二、Positive - or negative -pressure ventilators三、Control Systems and Circuits1. Open -And Closed -Loop Systems2. Control Panel (user interface)3. Pneumatic Circuit四、Power transmission system and conversion system1. Volume-displacement2. pneumatic designs3. Flow-control valves,2018年1月25日,54,三. Control Systems and Circuits,将呼吸器机械、气路及电子设备之功能整合后，可以作出決定或控制功能的组成。（现代呼吸机一般都是微电脑控制） 开放或密闭回路(Open 和 closed loop systems) 控制面板Control Panel(user interface) 气动回路 Pneumatic Circuit (是以电脑控制呼吸器的程度来区分)。 Open loop systems - 单向 Closed loop systems - 有回路监控(监控输出并将资料传回机器，修正下次传出),2018年1月25日,55,Physical Characteristics of ventilators,From Pilbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and clinical application St Louis,1998, Mosbdy),一、Ventilator power source or input power (electic source or gas source)：1.Pneumatically Powered ventilators 2.Electrically Powered ventilators3.Combined Power ventilators二、Positive - or negative -pressure ventilators三、Control Systems and Circuits1. Open -And Closed -Loop Systems2. Control Panel (user interface)3. Pneumatic Circuit四、Power transmission system and conversion system1. Volume-displacement2. pneumatic designs3. Flow-control valves,2018年1月25日,56,开放式控制/封闭式控制Open Versus Closed-Loop Control,是以电脑控制呼吸器的程度来区分。 Open loop systems - 单向Closed loop systems - 有回路监控(监控输出并将资料传回机器，修正下次传出),2018年1月25日,57,开放式控制微电脑控制，设定者 设定输入讯号然后观察输出讯号，观察结果后再调整输入的设定，如：简单潮湿器之温度控制。 封闭式控制微电脑控制，监测输出讯号并自动调节输入讯号，封闭式圈状控制潮湿器的温度自动调整呼吸道温度，不需使用者再调整输入讯号。所以封闭式控制又称为反馈式控制或Servo-control（自动控制）。 是精巧的电子系统，使用预设程序的微电脑控制呼吸器的功能。,2018年1月25日,58,Open loop systems,Closed loop systems,2018年1月25日,59,虽然呼吸器在任何一段特定时间只可以控制一个参数，但是在其它时间外也能够控制不同的参数。大部分呼吸器能够在不同呼吸之间改变控制参数。例如：Bennett 7200a呼吸器，使用SIMV+Pressure Support 。,2018年1月25日,60,双重控制（dual control）：同时监测并使用二个参数做为控制信号，有两个方式：(1)在一次呼吸内做压力控制，在呼吸间做容积控制(Siemems 300，”Volume Support” mode)(2)在一次呼吸内可转换压力和容积控制( Bear 1000：Pressure augmentation mode 和 Bird 8400ST：Volume assisted pressure support mode)。,2018年1月25日,61,2018年1月25日,62,Bear 1000 pressure augmentation8400stVAPS,2018年1月25日,63,吸气力量足,吸气力量不足,压力控制,流量控制,一次呼吸内的双重控制,2018年1月25日,64,Physical Characteristics of ventilators,From Pilbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and clinical application St Louis,1998, Mosbdy),一、Ventilator power source or input power (electic source or gas source)：1.Pneumatically Powered ventilators 2.Electrically Powered ventilators3.Combined Power ventilators二、Positive - or negative -pressure ventilators三、Control Systems and Circuits1. Open -And Closed -Loop Systems2. Control Panel (user interface)3. Pneumatic Circuit四、Power transmission system and conversion system1. Volume-displacement2. pneumatic designs3. Flow-control valves,2018年1月25日,65,2. Control Panel (user interface)在呼吸器外面，有许多设定的参数，Vt、rate、Ti等。,设定参数区,监测数据显示区,2018年1月25日,66,Physical Characteristics of ventilators,From Pilbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and clinical application St Louis,1998, Mosbdy),一、Ventilator power source or input power (electic source or gas source)：1.Pneumatically Powered ventilators 2.Electrically Powered ventilators3.Combined Power ventilators二、Positive - or negative -pressure ventilators三、Control Systems and Circuits1. Open -And Closed -Loop Systems2. Control Panel (user interface)3. Pneumatic Circuit四、Power transmission system and conversion system1. Volume-displacement2. pneumatic designs3. Flow-control valves,2018年1月25日,67,3. Pneumatic Circuit ： a.Internal circuit 机器内部的管路 b.External or patient circuit 机器外部的管路,三.Control Systems and Circuits,2018年1月25日,68,将 source gas引入，再送至机器内部之各类机械和气路结构，再送至病人端的管理。 * single circuit:气动呼吸器的气体来源与提供给病人吸入的气体是相同的。 * double circuits:气体来源先启动一个可压缩的bag 或 bellows，再将 bag 或 bellows 內部气体送入病人。,a. Internal circuit,2018年1月25日,69,single circuit,吸气,吐气,单回路-直接驱动呼吸机,2018年1月25日,70,Double circuits,吸气,吐气,双回路-间接驱动呼吸机,2018年1月25日,71,气流由呼吸器流经病人后，再流至吐气阀，再到大气(room)的管路。可依吐气阀的位置分:外建式吐气阀(Externally mounted expiratory valve)內建式吐气阀(Internally mounted expiratory valve ),b.External circuit,2018年1月25日,72,Externally mounted expiratory valve,Internally mounted expiratory valve,2018年1月25日,73,Physical Characteristics of ventilators,From Pilbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and clinical application St Louis,1998, Mosbdy),一、Ventilator power source or input power (electic source or gas source)：1.Pneumatically Powered ventilators 2.Electrically Powered ventilators3.Combined Power ventilators二、Positive - or negative -pressure ventilators三、Control Systems and Circuits1. Open -And Closed -Loop Systems2. Control Panel (user interface)3. Pneumatic Circuit四、Power transmission system and conversion system1. Volume-displacement2. pneumatic designs3. Flow-control valves,2018年1月25日,74,四. Power Transmission System,又称drive mechanisms（驱动机制）。 Power sources(气体或电力)提供呼吸器能量来运作机械设备，并产生吸气所需要的压力差，此正或负的压力差能提供病人全部或部份之呼吸做功。分为两种基本类型： 1. Controlling volume delivery 2. Controlling flow delivery,2018年1月25日,75,以电力为 power source 的呼吸器 - a. compressors（压缩机）or blowers（吹风机） b. volume displacement devices (容积位移设备)以气体为 power source 的呼吸器- a. venturi entrainer b. flexible diaphragms c. fluidic elements,1. Controlling volume delivery:,2018年1月25日,76,a. Compressors or Blowers,Compressors 可由 pistons 、rotating blades(vanes)、moving diaphragms或bellows。呼吸器则大多使用 rotary compressors（旋转式压缩机），其类似风扇，可将大气中的气体吸入，直接运送至机器内部。,2018年1月25日,77,Compressors,2018年1月25日,78,b. Volume-Displacement Designs,此设备包含 pistons、bellows、concertina bags 或类是 bag-in-a-chamer机制来输送正压呼吸。 1. Pistons 2. Bag in a chamber 3. Spring-loaded bellows,2018年1月25日,79,b. Volume-Displacement Designs,Pistons: A. Linear drive piston(single-circuit)近期呼吸器(NPB760)大多使用rolling seal或low-resistance 材质来降低摩擦力。 B. Rotary or nonlinear drive piston,2018年1月25日,80,A. Linear drive piston,B. Rotary or nonlinear drive piston,Flow& pressure/time curves,2018年1月25日,81,b.Volume-Displacement Designs,2.Bag in a chamber piston 将空气吸进chamber內，再去压缩一内含给病人气体的bag (ICU呼吸器不常见)。3. Spring-Loaded Bellows O2及air混合后的气体进入一bellow 內，并由 弹簧设定预输送至病人端的压力(Servo 900C) ，此压力设定较低时，若气道阻力增加，驱动力就不足。,2018年1月25日,82,Spring-Loaded Bellows,A.,B.,A.low working pressure, high system resistanceB.Flow/time & pressure/time curves (time-cycled),2018年1月25日,83,以电力为 power source 的呼吸器 - a. compressors（压缩机）or blowers（吹风机） b. volume displacement devices (容积位移设备)以气体为 power source 的呼吸器- a. venturi entrainer b. flexible diaphragms c. fluidic elements,1. Controlling volume delivery:,2018年1月25日,84,c. Fluidic Elements in Power Transmission System (Sechrist IV-100B),National Fluid PowerAssociation 建立下列常用Fluidic Elements之标志和名称如下：,2018年1月25日,85,2018年1月25日,86,四. Power Transmission System,分为两种基本类型：1. Controlling volume delivery2. Controlling flow delivery (主要利用flow-control valves) 主要应用在pneumatically powered，microprocessor-controlled的呼吸器(现有ICU 的呼吸器), 來做 power transmission的设备。,2018年1月25日,87,2. Controlling flow delivery,Flow-control valves:新型的ICU呼吸器大多使用比较精密的valve來控制传输给病人的flow。1. Proportional solenoid valves 比例电磁阀 2. Stepper motors with valves 步进马达阀门3. Digital valves with on/off configurations 指狀开关阀结构,2018年1月25日,88,1. Proportional solenoid valves电流通过线圈产生磁性棒，并控制阀门 或活塞r的特殊位置如:7200、Evita、Sevrvo 300等呼吸器。,2.1 Stepper motors with valvesServo 900C含 scissor valve 的Stepper motor,2018年1月25日,89,2.2 Stepper motors with valves有spring-loaded plunger的Stepper motors (Adult star),2.3 Stepper motors with valves有external actuated proportional valve 的Stepper motors ，Bear 1000、 Bird 8400,2018年1月25日,90,3. Digital valves with on/off configurations(指状开关阀门)每个 valve都有固定 flowrate，同时亦各兼具on/off 的功能(例如:Infant Star有8 lpm、4 lpm和 2 lpm组成的 6 個 flow valve)，所需的流速就由这些valve on/off 来组成。,2018年1月25日,91,Basic Components of Breath Delivery,2018年1月25日,92,Basic Components of Breath Delivery,Mushin 等人将呼吸器的单一呼吸周期，以时间来区分为四期，此有助检视呼吸器如何如何开始、维持、停止吸气及两次吸气间的动作。 下列四种基本阶段(basic phases)：1. The change form expiration to inspiration.2. Delivery of inspiration.3. The change form inspiration to expiration.4. Expiration phases,2018年1月25日,93,Basic Components of Breath Delivery,呼吸器之四种基本阶段( basic phases)：1. The change form expiration to inspiration. 吐气结束，转开始吸气期2. Delivery of inspiratio