現(xiàn)代傳感器技術(shù)在Maquet SERVO-s呼吸機中的應(yīng)用

錢雷鳴，查敏

杭州市紅十字會醫(yī)院 設(shè)備科， 浙江杭州 310000

現(xiàn)代傳感器技術(shù)在Maquet SERVO-s呼吸機中的應(yīng)用

錢雷鳴，查敏

杭州市紅十字會醫(yī)院 設(shè)備科， 浙江杭州 310000

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技研究的熱點之一，已經(jīng)發(fā)展成一門技術(shù)學(xué)科，是工業(yè)自動化控制及制造業(yè)自動化和信息化的支柱。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口。呼吸機作為一種急救類生命支持設(shè)備，在急救、麻醉、重癥監(jiān)護(hù)室和呼吸治療領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用[1]。呼吸機需要按照臨床醫(yī)生相關(guān)指令向患者輸送混合氣體，并將患者呼出的氣體排出，在這個過程中，傳感器將感知并監(jiān)測流量、壓力、氧濃度等參數(shù)，從而控制、反饋和監(jiān)測呼吸機的各項參數(shù)[2]。呼吸狀況監(jiān)測的準(zhǔn)確度取決于流量、壓力傳感器的靈敏度和精確度[3]。本文結(jié)合我院數(shù)量最多的Maquet SERVO-s呼吸機，介紹了呼吸機中各個傳感器的工作原理及其在呼吸機中的獨特作用。

1 流量傳感器

流量傳感器作為呼吸機氣路系統(tǒng)的重要部件，負(fù)責(zé)將吸入和呼出的氣體流量轉(zhuǎn)換成電信號，然后傳送至信號處理電路，完成對吸入和呼出潮氣量、分鐘通氣量、流速的檢測和顯示。目前呼吸機的種類和型號有很多，采用的流量傳感器也各不相同，主要有熱絲式、晶體熱膜式、超聲式、壓力感應(yīng)式、壓差式等[4]。按流量傳感器在呼吸機中的位置及作用不同，一般又可分為吸入端流量傳感器和呼出端流量傳感器。

1.1 吸入端流量傳感器

吸入端流量傳感器主要檢測氣源（空氣和氧氣）的流速，為控制系統(tǒng)提供必要的流速信號，從而控制潮氣量和氧濃度等。

工作原理：在吸入端的氣道中，有一個網(wǎng)狀的氣阻，氣流經(jīng)過氣阻后在氣阻的兩端產(chǎn)生壓力差；傳感器內(nèi)的敏感元件在外部氣流壓力的作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也發(fā)生變形； 電阻應(yīng)變片變形后，其阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成將氣流壓力轉(zhuǎn)換為電信號的過程[5-6]。壓差式流量傳感器即是通過測量氣阻兩端的壓力差來計算相應(yīng)的氣流流速。

壓差式流量傳感器容易因氣體的潮濕而造成測壓管路的堵塞。在很多呼吸機中，壓差式流量傳感器作為呼出端流量傳感器使用，但因呼出端的水汽含量過多，很多呼吸機中的此種壓差式傳感器是作為消耗品使用的。但在Maquet SERVO-s呼吸機中，該壓差式流量傳感器是作為吸入端流量傳感器使用的，其集成在吸入模塊（空氣模塊和氧氣模塊）中。由于傳感器在供應(yīng)氣體氣路的前段，且醫(yī)院的中心供氣（空氣和氧氣）一般都經(jīng)過過濾/干燥等處理，故其耐用性也不成問題。

按要求，供應(yīng)氣體中的水含量應(yīng)＜7 g/m3，油含量應(yīng)＜0.5 mg/m3，為防止由于氣體中的水/油含量過多導(dǎo)致流量傳感器損壞，可在呼吸機氣體供應(yīng)的前段安裝油水分離器。

當(dāng)此流量傳感器出現(xiàn)故障時，可能導(dǎo)致呼吸機送氣不準(zhǔn)確或者在使用前檢查時流量傳感器測試失敗等現(xiàn)象。出現(xiàn)這種故障時，一般建議先檢查空氣模塊或氧氣模塊中是否有過多的水分，如果水分過多，將模塊進(jìn)行烘干處理，處理完后再安裝并執(zhí)行使用前檢查。

1.2 呼出端的流量傳感器

呼出端的流量傳感器主要用于檢測病人呼出氣體的流速，呼吸機根據(jù)呼出氣體的流速計算出呼出的潮氣量（Volume of Tidal，VT），并顯示在用戶界面上供臨床醫(yī)生參考。Maquet SERVO-s呼吸機的呼出端流量傳感器（即呼氣盒）是一種超聲式流量傳感器，具有測量精確、耐用、易消毒滅菌等優(yōu)點。

工作原理：其左右兩邊各設(shè)有1個超聲探頭，分別能發(fā)射和接收超聲。首先將左邊的探頭作為發(fā)射器發(fā)射超聲信號，在呼氣盒內(nèi)部傳播反射后，右邊的探頭作為接收器接收超聲信號，測量超聲信號從發(fā)射到接收的時間，記為T1（為順流方向的傳播時間）； 然后將右邊的探頭作為發(fā)射器（先前的接收器）發(fā)射超聲信號，在呼氣盒內(nèi)部傳播反射后，左邊的探頭作為接收器（先前的發(fā)射器）接收超聲信號，測量超聲信號從發(fā)射到接收的時間，記為T2（為逆流方向的傳播時間）[7-8]。逆流和順流的時間差和氣體流量成對應(yīng)比例關(guān)系。

Maquet SERVO-s中的呼出端流量傳感器為超聲式流量傳感器，其優(yōu)點是：① 檢測速度快，不受被測氣體溫度、壓力、密度等參數(shù)的影響；② 耐用程度高，是目前為止應(yīng)用在呼吸機上的唯一一款可以直接拆卸、清洗、消毒和高溫高壓滅菌的傳感器。臨床應(yīng)用時，可以在呼氣盒的前段加裝Maquet servo-guard細(xì)菌過濾器，這樣既可減少呼氣盒的消毒滅菌次數(shù)，也可防止由于濕化器中的水或者病人體液進(jìn)入呼氣盒而導(dǎo)致的呼氣盒流量監(jiān)測的誤差。若呼氣盒前段不加裝細(xì)菌過濾器，長時間使用后，過多的水或者病人體液將會黏附在呼氣盒內(nèi)部通道的內(nèi)壁，可能會導(dǎo)致超聲波信號的接收時間延遲，從而導(dǎo)致流量監(jiān)測的誤差。若出現(xiàn)這種情況，需將呼氣盒進(jìn)行清洗、消毒、晾干處理。Maquet呼氣盒常見的故障為使用時機器出現(xiàn)“呼氣盒存在技術(shù)性故障”的報警提示，此故障多數(shù)是由呼氣盒內(nèi)病人分泌物或水分過多導(dǎo)致，通常拆下呼氣盒進(jìn)行清洗消毒可排除故障。

Maquet呼吸機具有吸入端和呼出端流量傳感器，在臨床使用中直接將檢測到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，當(dāng)兩個數(shù)值出現(xiàn)較大偏差時，說明病人的呼吸管路或插管存在漏氣狀況，提示臨床醫(yī)護(hù)人員及時檢查漏氣情況，提高臨床使用安全。

2 壓力傳感器

按照在呼吸機中的作用，壓力傳感器一般分為氣源壓力傳感器和氣道壓力傳感器。氣源壓力傳感器用來檢測氣源的壓力（即空氣和氧氣的壓力），然后將此壓力信號提供給主機控制部分，以便控制部分根據(jù)氣源壓力調(diào)整吸氣閥開放，從而精確地控制輸出的氧濃度、潮氣量等。

Maquet SERVO-s呼吸機中的氣源壓力傳感器為硅壓阻式壓力傳感器。硅壓阻式壓力傳感器原理：采用周邊固定的圓形應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，直接將4個高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓電橋，其作為力-電變換測量電路，可將壓力這個物理量直接變換成電量[9-10]。硅壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，見圖1[11]，上下兩層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。

圖1 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)[11]

氣道壓力傳感器在呼吸機中用來測量吸入端和呼出端的壓力。其原理跟氣源壓力傳感器基本一致。該壓力傳感器為壓差式傳感器，兩個測量端一端通大氣，一端接入呼吸機的氣路，將測得的氣路壓力與大氣壓比較，得出氣路中的相對壓力值。

Maquet SERVO-s呼吸機中的氣源壓力傳感器跟吸入端流量傳感器一樣，集成在吸入模塊中，具有測量精度高、功耗低、成本低等特點。為防止其損壞，應(yīng)保證氣源氣體的質(zhì)量。MAQUET Servo-s中的氣道壓力傳感器分為吸氣端壓力傳感器和呼氣端壓力傳感器，分別用來測量呼吸機吸氣端和呼氣端的壓力值，兩者完全一樣，可以互換。Maquet氣道壓力傳感器均由采樣管連接到相應(yīng)的采樣點，采樣管中有過濾器，用來過濾粉塵和少量的水汽，此過濾器應(yīng)及時更換（5000 h更換一次），以免引起氣道壓力傳感器的損壞。

Maquet SERVO-s呼吸機自帶自檢程序，在“使用前檢查”中包含“氣體供應(yīng)測試”和“壓力傳感器測試”兩項，即是針對氣源壓力傳感器和氣道壓力傳感器所執(zhí)行的檢測。如檢測失敗，可能是相應(yīng)的傳感器出現(xiàn)了故障。

3 氧濃度傳感器（氧電池）

氧傳感器安裝在呼吸機的吸氣端，用來檢測輸送的混合氣體的氧濃度。Maquet SERVO-s呼吸機可以配置兩種氧傳感器，一種是消耗式氧傳感器（化學(xué)氧傳感器），一種是永久性氧傳感器（超聲式）。消耗式氧傳感器的工作原理與干電池相似，由空氣陰極、鉛陽極和電解液組成[12-13]。進(jìn)入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細(xì)微孔的大小。當(dāng)氧氣到達(dá)工作電極時，它立刻被還原釋放出氫氧根離子，這些氫氧根離子通過電解質(zhì)到達(dá)鉛陽極，與鉛發(fā)生氧化反應(yīng)，生成相應(yīng)的金屬氧化物。在上述兩個反應(yīng)發(fā)生的過程中產(chǎn)成電流，電流的大小取決于氧氣反應(yīng)的速度（法拉第定律），可通過外接一只已知電阻來測量產(chǎn)生的電勢差，從而測量出氧氣的濃度。

永久性氧傳感器，即超聲式永久氧傳感器，其左右兩側(cè)各有一個超聲探頭，分別可以發(fā)射和接收超聲信號。眾所周知，聲音在氧氣中的傳播速率要小于在空氣中的傳播速率。通過測量超聲在混合氣體（空氣和氧氣）中的傳播速率，并比較其在單獨氣體中的傳播速率，可以計算出相應(yīng)的氣體濃度。超聲式氧傳感器的原理跟超聲式流量傳感器類似，一個探頭發(fā)送超聲信號，另一個探頭接收此信號，通過測量從信號發(fā)送到信號接收的時間來計算速率，從而計算相應(yīng)的氧濃度。

無論是化學(xué)式氧電池還是超聲永久性氧電池，長期使用后均可能產(chǎn)生測量偏差，故應(yīng)在使用前進(jìn)行檢測（包含氧傳感器測試）來校準(zhǔn)其準(zhǔn)確性。如果設(shè)備校準(zhǔn)測試時出現(xiàn)氧傳感器測試失敗，一般是氧傳感器故障。若是化學(xué)氧傳感器發(fā)生故障，則需要更換氧電池；若是超聲永久性氧傳感器發(fā)生故障，則需檢查供氣氣源的壓力，供氣壓力太低或空氣和氧氣壓力偏差太大，都有可能造成超聲氧傳感器檢測失敗，此時調(diào)整氣源或用鋼瓶氧氣供氣即可檢測正常。在實際臨床使用中，超聲氧傳感器檢測失敗的情況很少，我院在用的多臺超聲氧傳感器，使用多年無一例氧傳感器故障。超聲式氧傳感器在呼吸機中的應(yīng)用為Maquet獨創(chuàng)，其特點為精度高、耐用、環(huán)保，大大降低了氧傳感器的消耗成本。

4 討論

呼吸機中分布著多種傳感器，用來采集不同的數(shù)據(jù)信號并將這些信號傳輸?shù)娇刂破魃希瑥亩鴮崿F(xiàn)對呼吸機的控制。傳感器技術(shù)的不斷優(yōu)化，使呼吸機的靈敏度、精確度、可靠性和穩(wěn)定性得到了提高，進(jìn)而提高了呼吸機的性能和治療效果[14]。同時，在呼吸機的故障維修中，由傳感器引起的呼吸機故障占相當(dāng)大的比例。了解呼吸機傳感器的技術(shù)原理及結(jié)構(gòu)，可幫助維修工程師對呼吸機進(jìn)行日常維修。

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Application of Modern Sensor Technologies in Maquet SERVO-s Ventilator

QIAN Lei-ming, ZHA Min
Department of Equipment, Hangzhou Red Cross Hospital, Hangzhou Zhejiang 310000, China

本文介紹了Maquet SERVO-s呼吸機中用于監(jiān)測氣體壓力、流量和氧濃度的各個傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并分析了這些傳感器的作用，以幫助相關(guān)人員更科學(xué)地使用呼吸機，判斷其出現(xiàn)故障的原因并解決故障。

呼吸機傳感器；壓力傳感器；流量傳感器；氧電池

This paper introduced the structure, work principle and function of each sensor that monitored gas pressure, gas flow and oxygen concentration in Maquet SERVO-s ventilator, which was helpful for clinical staff and maintenance engineers to use and troubleshoot the equipment in a scientific way.

ventilator sensor; pressure sensor; flow sensor; oxygen battery

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.019

1674-1633(2015)02-0072-03

2014-01-17

2014-09-17

作者郵箱：qleiming2008@163．com