三種呼吸機氣動系統的比較與分析

陳學斌 劉利榮

三種呼吸機氣動系統的比較與分析

陳學斌① 劉利榮②

目的：掌握呼吸機的氣動系統，為呼吸機氣動部分的故障篩查和排除提供技術支持。方法：分析臨床常用三種呼吸機Servo-i/s、Rapheal XTC及PB840的氣動系統結構，比較不同呼吸機氣動系統結構的差異。結果：了解三種呼吸機的氣動系統的結構及差異，為篩查和排除呼吸機氣動部分故障提供了有效的幫助。結論：呼吸機的氣動系統是呼吸機的重要組成部分，對不同呼吸機的氣動系統差異的認識、掌握，便于臨床呼吸機故障的分析及排除。

呼吸機；氣動系統；結構；比較

[First-author’s address] China-Japan Friendship Hospital, Beijing 100029, China.

呼吸機是一種人工的機械通氣裝置，用于輔助或控制患者的自主呼吸運動，以達到肺內氣體交換的功能，降低人體的消耗，利于患者呼吸功能的恢復[1]。呼吸機在臨床呼吸衰竭搶救手術中和手術后患者的復蘇和呼吸治療等方面有廣泛的應用[2-3]。呼吸機硬件設備主要由氣動系統、電路系統組成。呼吸機氣動系統由吸氣組件系統、患者環路系統和呼氣組件系統組成[4]。本研究通過分析Rapheal XTC型、Servo-i/s型和PB840型三種常見的呼吸機的氣動結構，比較其結構差異，為呼吸機氣動系統的維修、維護提供技術支持。

1 呼吸機的呼氣組件系統比較

呼吸機氣動部分的吸氣組件系統是呼吸機氣路的主要組成部分，該組件是控制高壓氣體進入呼吸機，并且對進入患者呼吸循環的潮氣量及其相關參數如氧氣濃度等進行調控的關鍵組件。

1.1 Servo-i/s型呼吸機的吸氣組件系統

(1)當Servo-i/s型呼吸機接通外源高壓氣源后氣流通過進氣口處濾膜進入呼吸機，濾膜可對呼吸機起到保護作用。濾膜外殼上有個單向閥，此閥可防止在失去外接高壓氣源時進入呼吸機的氣流的回流。溫度傳感器和壓力傳感器對外接高壓氣體的溫度和壓力進行檢測。其檢測信號傳遞至呼吸機后通過壓力的改變來補償由于溫度變化導致氣體潮氣量的改變，是對流量的一種補償調控。

(2)氣體經過壓力傳感器后會經過流量傳感器，流量傳感器為網狀結構，使傳感器兩端的氣流產生壓力差，流量傳感器通過壓力差來計算傳輸氣體的流量。氣流經過流量傳感器進入噴嘴組件后受到吸氣螺線圈的調控，呼吸機根據設定值調控吸氣螺線圈中的電壓而調控進入的氣流量?？諝夂脱鯕獾臍饬魍ㄟ^噴嘴組件在橡皮連接管處混合并且進入吸氣管。吸氣管上的氧氣傳感器用于檢測混合后氣體的氧濃度。

(3)在呼吸機的吸氣管上連有吸氣壓力傳感器，用于實時檢測吸氣管中供給患者的氣流壓力，當吸氣管中壓力超過設定壓力最高值0.5 kPa時呼吸機開始報警，當吸氣管中的壓力超過(11.7±0.07) kPa壓力時，吸氣管上的安全閥會強制打開，以保證患者的安全。安全閥受電磁控制，在機械故障或氣源缺失的情況下則處于打開狀態[5-6]。

1.2 Rapheal型呼吸機的吸氣組件系統

(1)Rapheal型呼吸機接通高壓氣源后高壓氣體進入積水杯，積水杯中含有濾膜，濾膜可起到過濾作用，其凝結水會聚集在積水杯杯底，然后經過單向閥(防止氣流的回流)后進入呼吸機的混合閥，最后進入氣動模塊上的燒制節流器?；旌祥y受電磁螺線圈控制，其處于打開狀態時氣流進入儲氣罐，混合閥能夠檢測通過的氣流量。

(2)在節流器上有一個壓力傳感器dPmixer，通過檢測節流器前后兩端的壓力差來檢測高壓氣流的壓力，呼吸機通過壓力信號的變化控制氣體混合閥的開、閉來調控進入氣罐的氣流量。Rapheal呼吸機的電磁混合閥、燒結的節流器、壓力差傳感器和氣罐共同完成呼吸機中高壓氧氣和空氣的混合。氣罐的壓力傳感器Ptank檢測氣罐中混合氣體的壓力，氧電池檢測混合氣體中氧氣的濃度。

(3)在氣罐混合后的氣體流向過壓保護閥、霧化器電磁閥和吸氣閥而流向患者。①過壓保護閥是機械閥，不受電磁控制，當氣罐中的壓力過高時氣流會將過壓保護閥打開，保證氣罐內的壓力安全；②霧化器電磁閥在設定的條件下打開，對患者進行霧化治療；③吸氣閥是一個電子線圈閥，其開關直接控制進入患者呼吸循環的潮氣量。

(4)在吸氣閥的下匣室相連的有一個環境閥，當呼吸機失靈時環境閥打開，允許患者從外界吸入空氣。在吸氣閥下匣室相連的管路中有一個患者過壓保護閥，同樣是不受電路控制的機械閥，當患者環路中氣壓過高時會打開，保證患者的安全。在Rapheal型呼吸機氣動系統中氣罐超壓保護閥和患者環路超壓保護閥共同位于安全閥組件中，組成呼吸機的安全閥[7-8]。

1.3 PB840型呼吸機的吸氣組件系統

當接通PB840型呼吸機高壓氣源后，氣流通過進氣口經過一個壓力開關，當氣源壓力達到137.9 kPa時壓力開關正常打開，氣源壓力達到217.2 kPa時壓力開關關閉。高壓氧氣和高壓空氣經過壓力開關后所經過的氣路略有不同：①高壓氧氣先經過沖擊篩濾膜，該濾膜可過濾掉直徑為65～110 μm的碎片，經過一次過濾后會再經過可濾掉直徑＞3 μm的碎片的另一個濾膜進入氧氣調控器；②高壓空氣經過壓力開關后只經過一次濾膜，除掉氣體中直徑＞3 μm的碎片后進入一個單向閥多支管組件中。氣流經過此單向閥多支管組件后，進入空氣調控器。調控器上有一個氣壓閥TP，可檢測氧氣和空氣調控器的設置[9](如圖1所示)。

在PB840型呼吸機中，空氣和氧氣氣流通過分配電磁閥POSL后開始混合。安全閥與混合后氣體相通，安全閥是受電磁控制的，當呼吸機運行時，電磁閥強行關閉，允許氣流傳輸給患者。當安全閥出口壓力超過11.5 kPa壓力時或當呼氣壓力傳感器檢測呼氣口壓力達到10 kPa時，安全閥會被打開來釋放壓力，當呼吸機突然失靈時安全閥會打開允許患者呼吸外界空氣。

混合氣流通過吸氣單向閥輸送到呼吸管路中，并會阻止呼出的氣流回流。氣流經過單向閥后，氧電池會檢測傳輸于患者的混合氣體氧氣濃度，當氧氣濃度的差異＞±7%時氧電池會報警?；旌虾蟮臍饬鲏毫汸I吸氣壓力傳感器檢測，吸氣壓力傳感器的自動歸零螺線包周期性地將吸氣壓力傳感器的基準偏差設置歸零[10-11]。

1.4 三種呼吸機吸氣組件的比較

三種呼吸機的吸氣組件其功能相同，但結構卻互有差異。

(1)空氣和氧氣氣流混合過程中，Servo-i/s型呼吸機是經過電磁螺線圈后在膠皮連接管處混合；Rapheal型呼吸機是在專用氣罐中混合；PB840型呼吸機是在經過兩重的氣流調控后在管路中混合。在此部分功能中Rapheal型呼吸機的氣罐可使氣流混合更為均勻，并可保證輸出氣流的穩定性。

(2)在氣流調控方面，Servo-i/s型和Rapheal型呼吸機均是空氣和氧氣在混合前受一次電磁螺線圈的調控，而PB840型呼吸機在受電磁螺線圈的調控前由一次受載彈簧控制的通風管調控器調控，高壓氣流在經過調控后保證氣體供應的穩定性，此調控可以消除兩種氣源壓力的差異。

(3)單向閥和安全閥的差異，Servo-i/s型和Rapheal型呼吸機的單向閥都位于進氣口處，此處可防止氣源丟失的條件下氣流的回流。PB840型呼吸機的單向閥位于空氣和氧氣氣流混合處，此處單向閥可防止患者呼出的氣體進入呼吸機。

圖1 PB840型呼吸機吸氣組件結構圖

(4)三種呼吸機中安全閥不同，其中Servo-i/s型和PB840型均為電磁控制的安全閥，且都只有1個，位于氣體混合后的部分。當呼吸機失靈時安全閥則會打開，保證患者可從外界呼吸空氣。而Rapheal呼吸機的安全閥組件較為復雜，其中含有2個過壓保護閥，分別為呼吸機的氣罐過壓保護閥和呼吸管路過壓保護閥，其均為機械閥。當氣罐或呼吸管路中壓力達到一定程度時，與其相通的閥會打開，保護呼吸機和患者的安全。當與呼吸管路過壓保護閥打開后患者會直接呼吸空氣；當呼吸機不能向患者傳輸氣體時位于吸氣閥處的環境閥可打開，患者可直接呼吸空氣。

2 呼吸機的患者環路系統

患者環路系統指氣體從呼吸機的吸氣組件系統輸出后進入患者呼吸循環系統，然后輸出到呼吸組件的過程，其中包含呼吸管路和濕化罐[12-13]。三種呼吸機的環路系統相差甚小，Rapheal呼吸機的患者環路系統除呼吸管路和濕化罐外還包含了流量傳感器和霧化器的接口。該呼吸機的流量傳感器可以檢測患者吸入和呼出氣流的流量。

3 呼吸機的呼氣組件系統

呼吸機的呼氣組件系統是指患者呼出的氣流進入呼吸機并排到室外的組件。

3.1 Servo-i/s呼吸機的呼氣組件系統

Servo-i/s呼吸機的氣流通過連接管進入呼氣組件，氣流進口處的設計便于冷凝水流出，其濾膜可防止呼氣系統污染。在呼氣組件的氣路中有兩個超聲發射器和接收器，通過檢測氣流上游、下游的超聲接收和發射的時間差來檢測呼氣氣流的流量，呼氣氣路中的溫度傳感器用于檢測呼氣氣流溫度，所測溫度用于輔助計算氣流的呼氣流量。呼氣組件中的壓力傳感器用于檢測呼出氣流的壓力。呼出的氣流經過呼氣閥呼出，呼氣閥有受呼氣閥螺線圈控制的濾膜，可使用1000萬個循環。氣流進入呼氣閥后經過呼氣單向閥，以防止呼出氣流的回流并呼出的氣流排到室外[14](如圖2所示)。

圖2 Servo-i/s呼吸機呼氣組件結構

3.2 Rapheal呼吸機的呼氣組件系統

Rapheal呼吸機的呼氣系統組件由塑料外殼、硅膠膜、進氣口和出氣口組成，硅膠模覆蓋在患者進氣口上。Rapheal呼吸機通過電磁螺線圈控制的呼氣閥調控硅膠膜位置可控制氣流的呼出(如圖3所示)。

圖3 Rapheal呼吸機呼氣組件結構

3.3 PB840呼吸機的呼氣組件系統

PB840呼吸機的呼氣系統如圖4所示，患者呼出的氣流通過濾膜進入呼氣閥，在濾膜外有可收集患者呼出氣體凝結水的積水杯，氣流經過濾膜和一個單向閥后通過單向閥相連處的壓力傳感器檢測患者呼出氣流的壓力；呼出氣流的流量由流量傳感器檢測[15]。呼出的氣體經過流量傳感器后進入呼氣閥，當患者吸氣時此閥關閉，防止氣流回流，當患者呼氣時此閥打開。呼氣閥的開閉程度可控制呼氣末壓力值。

圖4 PB840呼吸機呼氣組件

3.4 三種呼吸機的呼氣組件系統的差異

(1)三種呼吸機的流量傳感器。Servo-i/s呼吸機和PB840呼吸機的流量傳感器是單獨位于呼氣組件中，而Rapheal呼吸機的吸氣和呼氣流量傳感器是1個，且位于患者環路系統中。Servo-i/s呼吸機呼氣組件的流量通過兩個超聲流量傳感器來檢測，而PB840呼吸機的流量是采用電熱片式的流量傳感器來檢測。

(2)三種呼吸機的壓力傳感器。Servo-i/s呼吸機和PB840呼吸機有相應的壓力傳感器，Rapheal呼吸機在流量傳感器兩端有一個壓力傳感器用于檢測其壓力差來監測呼氣端的流量和呼氣端的壓力。

4 結語

呼吸機的氣動部分是呼吸機的重要組成部分，其正常運轉關系到呼吸機的安全使用。Rapheal XTC型、Servo-i/s型和PB840型呼吸機是目前臨床常用類型的呼吸機，本研究分析了該類呼吸機氣動部分的工作原理，比較了不同品牌呼吸機氣動部分的差異，為臨床呼吸機的使用和維護提供技術支持。

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Research on the analysis and compare of pneumatic system in several kinds of ventilators/

CHEN Xue-bin, LIU Li-rong// China Medical Equipment,2014,11(2):33-36.

Objective: To get a general estimation of the pneumatic system in ventilators and supply technical assistance for screening and removing the faults of pneumatic component. Methods: Pneumatic system of three kinds of ventilators, Sevro-i/s, Rapheal XTC and PB840 were analyzed and the differences of the three pneumatic systems were compared. Results: Known the construct and differences of pneumatic system. Conclusion: Pneumatic system is the major component of ventilator, and the analysis of the pneumatic component is benefited for the common troubleshooting of ventilators.

Ventilator; Pneumatic system; Construct; Compare

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.011

1672-8270(2014)02-0033-04

R197.324

A

2013-11-04

①中日友好醫院醫學工程處 北京 100029

②諸城市人民醫院關節外科 山東 諸城 262200

陳學斌,男,(1984- ),博士，助理工程師。中日友好醫院醫學工程處，從事呼吸機的維修維護工作。