呼吸機呼氣閥的技術進展及其在通氣模式中的應用

胡春海 施志毅 陳觀濤

現代臨床醫學中，呼吸機是一種能起到預防和治療呼吸衰竭，減少并發癥，挽救及延長患者生命的重要醫療設備之一[1]。已普遍應用于各種原因所致的呼吸衰竭，如重癥患者呼吸支持和治療、手術期間麻醉呼吸管理、急救復蘇以及治療鼻鼾等能引發窒息的疾病場所。以往呼吸機研究熱點，常集中在呼吸模式、流量傳感器及驅動系統等，鮮有對呼氣閥的介紹。而恰恰是這看似簡單，實則關鍵的部件，對呼吸機的性能、質量以及臨床機械通氣治療效果，起到重要作用。隨著呼吸機使用普及，一些使用過程中出現的安全問題，也逐漸呈現出來，這些安全風險的存在，要求工作人員必須時刻保持注意力，以免發生醫療事故。如何改善呼吸機使用狀況，降低安全風險，是現代醫療工作中需要解決的問題[2]。通過闡述呼氣閥的歷史發展、技術原理及分類等，探討呼氣閥部件對臨床診療的重要性。

1 呼吸機呼氣閥發展歷史

呼氣閥，亦稱呼氣末正壓(positive end expiratory pressure，PEEP)閥，是呼吸機核心部件，常用來對呼氣通路進行阻斷或開啟，從而實現吸氣相與呼氣相的相互切換[3]。現代呼吸機的呼氣閥，除“開放”與“關閉”兩種狀態外，還存在“半開放”第3狀態。我國常見的呼吸機進口品牌如美國鳥牌AVEA、美國美敦力公司PB840、美國偉康公司的BiPAP Vision、德國德爾格Evita XL和Savina，國產品牌如誼安醫療的VT5250、VG70等產品，盡管有不同的呼氣閥技術方案，但均基本如此。

傳統機械通氣中，呼氣閥在吸氣相時“關閉”，呼氣相時“開啟”。而現代機械通氣中，當需要增加PEEP和(或)保持人機高度協調性時，呼氣閥呈“半開放”第3狀態且該狀態可動態調整。在第3狀態下，呼氣閥響應時間越短控制精度越高，越有利于機械通氣的“人-機同步”。而在長時間工作中，呼氣閥能否保持相對穩定性，直接決定呼吸機的工作可靠性。

呼吸機發展歷程中，呼氣閥經歷了由機械到電子，由“被動工作”到“主動工作”的演變。對有創通氣和有創呼吸機而言，呼氣閥技術的成熟促使雙相氣道正壓(biphasic positive airway pressure，BIPAP)及壓力調節容量控制通氣(pressure-regulated volume control，PRVC)等高級別呼吸模式的臨床使用[4]。

對無創通氣和無創呼氣機而言，呼氣閥是雙水平氣道正壓(bi-level positive airway pressure，BiPAP)治療中重要的呼氣通路，可減少死腔通氣和提高通氣效率，從而提升無創通氣治療效果。BiPAP呼吸機是功能相對全面的雙氣道壓力呼吸機，屬無創通氣中舒適度較高的中高端呼吸機，其特點是吸氣相和呼氣相壓力可分別調節，即吸氣時呼吸機送出較高的預設吸氣壓，以保持氣道開放，幫助患者將更多的氣體吸入體內；呼氣時，呼吸機自動轉換至預設較低的呼氣壓，以保證患者呼吸順暢，易于將肺內氣體呼出。該類型機器適合各類睡眠呼吸暫停綜合征患者及所有需用無創通氣治療的患者，尤其是一些危重癥患者。因此，了解呼氣閥工作原理和工程結構，對臨床使用呼吸機、維護呼吸機均十分必要。

2 呼吸機呼氣閥技術原理

呼氣閥技術原理本質是遵循力的平衡，通過以膜為呼吸機介質，實現其功能。①膜的一側是工作側，連接呼氣管道，呼吸機呼氣端排出的氣體由此呼氣管道釋放到外界，工作側時刻感應呼吸道的壓力；②膜的另一側是驅動側，控制膜工作的驅動力由此產生，驅動側時刻感應驅動壓力，當驅動壓力大于呼吸道壓力，膜向呼吸道偏移(或行進)，增大呼氣道阻力，直至關閉呼氣道，反之，膜向驅動側偏移(或行進)，打開呼吸道并逐步降低呼氣道阻力，直至對呼氣影響消失；③呼氣閥的第3狀態，就是指呼氣道已打開，但存在一定阻力，導致呼氣道氣壓高于呼氣閥開放狀態。簡而言之，呼吸閥技術的核心在于“膜的控制技術”。此外，呼氣閥的材質(是否可高溫消毒)、呼氣閥的氣密性(是否漏氣)、膜的材質(有無毒性)以及膜的工藝(膜片均勻性、重心適當和表面光滑)等細節，均對臨床使用有一定影響。

現代呼吸機呼氣閥與呼吸機的通氣配合至關重要，其關鍵點是通過呼氣閥膜片的細微控制，實現PEEP的精準調節和對患者呼氣的瞬時響應，即實現“主動式呼氣閥”。

呼氣閥在呼吸周期的不同時相起不同作用，以重癥監護室(intensive care unit，ICU)常用的綜合治療呼吸機為例。①輔助控制通氣模式，呼氣閥在吸氣相一般保持閉合狀態，并根據設定壓力報警上限值實現壓力切換功能；②呼氣相階段，當患者端呼氣排盡后，呼氣閥與吸氣閥協同工作，實現流量觸發功能；③高級呼吸模式下，如鳥牌的BiPhasic、德爾格的BIPAP、美敦力的Bi-Level、誼安醫療的Bivent等，呼氣閥在吸氣相進入第3狀態下，呼吸機能維持設定壓力水平，支持患者自主呼吸，降低人機對抗的可能。

3 呼吸機呼氣閥分類

隨著機械通氣理論的發展，“人-機協調”變得愈加重要，電子控制技術可幫助實現“人-機協調”，使呼氣閥從靜態控制向主動微調動態控制發展。呼氣閥分靜態控制和動態控制2大類，其中靜態控制主要有水壓式、球囊式、彈簧式、活瓣式和漏氣閥式5種實現方式，是根據“封閉呼氣閥力量源”的不同進行劃分，即通過水的壓力、球囊充氣壓力、彈簧力、活瓣阻力和氣道阻力實現呼氣的機械力控制；相對于呼氣閥的靜態控制，呼氣閥動態控制更加表現出“高靈敏與積極主動”的特征，被業內稱呼為“主動呼氣閥”，根據其驅動力傳送介質不同，分為射流式和電磁式2種[5]。

3.1 水封瓶式呼氣閥

常使用Bubble水封瓶，水封瓶式呼氣閥(圖1)通過調節呼氣端排氣管的插入深度，實現固定的PEEP值，此方式對器械要求簡單，容易操作，價格低廉。目前，有些嬰兒無創呼吸機(器)仍使用該方法[6]。

圖1 水封瓶式呼氣閥示圖

3.2 球囊式呼氣閥

球囊式呼氣閥是在呼氣活瓣上安裝一個可充氣球形氣囊，當球囊充氣膨脹，使其壓迫呼氣活瓣封閉氣道，當釋放球囊氣體至大氣壓水平，球囊恢復原裝，與呼氣活瓣脫離，這樣通過控制球囊充氣壓力，達到氣道開放、關閉狀態。該裝置簡易，造價低廉，對組裝有一定要求，可用于自制實驗設備，但因可靠性和精度太差，現不被呼吸機采用。

圖2 彈簧式呼氣閥示圖

3.3 彈簧式呼氣閥

彈簧式呼氣閥也叫彈力呼氣閥，利用彈簧壓縮反彈力量，驅動呼氣膜片封閉氣道(圖2)。當彈簧彈力遠低于氣道壓力時，呼氣活瓣打開，使得氣道開放，釋放呼出氣流；反之，呼氣膜片封死氣道；當氣道壓力略高時，呼氣活瓣不完全封閉，造成呼氣排出受限，形成PEEP。使用者可調節彈簧壓力，實現關閉或設置PEEP值大小。

彈簧式呼氣閥構造簡單，維護方便，可靠性強，適合便攜急救、應急儲備等場所，主要存在于急救呼吸機、呼吸球及普及麻醉機等，如美國寶馬公司的LTV900型呼吸機、美國泰科公司的LP系列呼吸機。此呼氣閥與急救呼吸球聯合使用，用于慢性阻塞性肺疾病急性加重期(acute exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease，AECOPD)的患者排痰，效果好、痰量增多且易于排出，排痰后舒適度明顯增加，有利于改善癥狀，提高運動耐量[7]。

3.4 活瓣式呼氣閥

活瓣式呼氣閥是彈簧式呼氣閥(圖3)的簡易版本，保留了輕質材料制成的圓盤狀、飛碟狀或鴨嘴狀單向活瓣，利用膜兩側的壓強差進行控制，僅有開啟和閉合兩種狀態，不能設置PEEP。

圖3 經典活瓣式呼氣閥

由于這種呼氣閥不需要驅動力(比如驅動氣流)就可以工作，使得成為早期急救呼吸機經典方案。如德爾格Oxlog1000型、加拿大O2系列及誼安醫療的Shangrila 510型呼吸機。此外，利用相似原理的呼氣閥也常見于家用睡眠呼吸機等普及度高、精度要求低的領域。

國家“十三五”規劃提出，未來五年計劃實施160多項重大工程及項目，其中研制核醫學影像設備、超導磁共振成像系統、無創呼吸機等高性能醫療器械位列第31項[8]。無創呼吸機又稱持續氣道正壓通氣呼吸機，是治療阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS)的一種非常安全有效的方式，在現代臨床醫療方面發揮巨大的作用[9]。

3.5 漏氣閥式呼氣閥

漏氣閥式呼氣閥主要應用于無創呼吸機，以平臺呼氣閥最常見，如美國偉康公司的BiPAP無創呼吸機[10]。BiPAP為雙水平氣道正壓，BiPAP加用漏氣閥可有效避免AECOPD合并II型呼吸衰竭患者二氧化碳(CO2)的重復呼吸，迅速糾正CO2潴留，避免氣管插管或氣管切開，降低呼吸機相關性肺炎的危險性[11]。但其僅限于使用單管路呼吸機使用，而對于使用呼吸回路方式綜合治療呼吸機，不能使用該漏氣閥。

漏氣閥的優點是對比面罩自帶排氣孔而言。面罩自帶排氣孔一定程度上可減少CO2的重復呼吸，降低面罩內空間CO2濃度。但由于存在開放性，即主動漏氣，會使患者吸入外界空氣，稀釋吸入氣體氧濃度，這不利于無創通氣的吸入氧濃度控制[12]。

漏氣閥的作用是利用內置硅膠膜片，控制吸氣相和呼氣相氣流排出量，保持恒定漏氣量，有效減小患者CO2分壓，避免重復吸入CO2，有助于糾正高碳酸血癥，可使呼吸機計算數據更精準，有利于呼吸節奏跟蹤。

3.6 射流式呼氣閥

射流式呼氣閥利用噴射氣流形成的壓力，驅動呼氣膜片阻止呼出氣體的排出。當膜片兩邊壓力達到某種平衡時，呼氣閥呈全開放、全封閉和半開放(此狀態產生PEEP)3種狀態。呼吸機通過電磁閥等部件調節噴射氣流形成的大小，改變PEEP水平。常見的先導式呼氣閥，呼吸機向氣路提供恒定正壓，使整個呼吸周期內，氣道保持在正壓水平。

隨著以美國美敦力PB840型呼吸機為代表的吸氣動態式呼氣閥(亦稱主動呼氣閥)的出現，將呼氣閥技術帶入一個新高度。在靈敏吸氣閥、精密算法相配合下，該呼氣閥在吸氣相就可被精準調節、快速響應，允許患者在高壓平臺上自主呼吸。目前PB840型呼吸機是中高檔治療呼吸機的主流技術方案，如瑞士哈美頓公司S系列呼吸機、我國誼安醫療VT系列呼吸機。

射流式呼氣閥的穩定工作，需高壓力氣源的穩定輸出。近年來，隨著以渦輪系統為內置空氣動力源的電動呼吸機興起，這種射流式的弊端逐漸顯現。早期的渦輪呼吸機(特指床旁綜合治療型呼吸機)，采用恒轉速渦輪，以犧牲渦輪輸出效率、體積和壽命為代價，維持呼氣閥工作的穩定性。但當患者吸氣節奏與吸氣力度不穩定時，會影響呼氣閥的控制，從而進一步影響患者通氣效果。隨著可變速渦輪的興起，這種技術問題得到解決，利用自反饋系統，不斷調整渦輪輸出功率，可使呼吸機在復雜的呼吸節奏下獲得精準的PEEP控制壓力，且控制周期長。如德國德爾格公司新款、瑞士哈美頓公司C系列呼吸機、我國誼安醫療VT系列呼吸機。

射流式呼氣閥保養維修比較簡單。檢修過程中，需先關閉電源，檢查外接管是否出現損傷或堵塞，如有此類問題，則需更換新的管路，即可排除故障；若未損壞，需將呼吸閥逆時針旋轉，觀察呼吸閥金屬膜片和管壁是否垂直，若出現偏差則證明已經損壞，更換新的即可[13]。

3.7 電磁式呼氣閥

電磁式呼氣閥也叫磁力呼氣閥，是相對先進的電子裝置。其由電磁閥產生機械力，通過聯動直桿或聯動杠桿直接控制膜片的位移，從而精準且快速地控制膜片與氣道的位置關系和壓力關系。相對射流式呼氣閥，更像“硬體耦合”，對氣道的施壓大小可通過磁鐵與活瓣(由導磁材料制成)之間的距離來實現，調節該距離就可改變PEEP值，電磁式呼氣閥見圖4。

圖4 電磁式呼氣閥

雖然，電磁式呼氣閥的閥門的力學原理與其他呼氣閥類似，但將驅動膜片的媒介更換為聯動桿，將驅動力由形變產生的機械力量換成電磁力，理論這種裝置相應速度非常快，可達毫秒級，機械行程控制精度高，可達10微米級，很適合高速反饋控制，可對氣道進行瞬間調整。此呼氣閥應用比較超前，目前僅有少數公司掌握，如德爾格公司、誼安公司VG系列呼吸機等，有望成為未來智能化呼吸機的重要技術。

4 呼吸機呼氣閥臨床應用

4.1 利于無創通氣治療的呼氣閥

黃桃等[14]對47名慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)合并高碳酸血癥患者進行無創通氣觀察，將無創呼吸機分別使用單孔呼氣閥和平臺呼氣閥，得出兩個結論:①單孔型呼氣閥和平臺呼氣閥均能有效增加血氧分壓和降低CO2分壓；②使用平臺呼氣閥糾正CO2潴留更為迅速有效。代冰等[15]曾對無創通氣下平臺閥、靜音閥和單孔閥3種漏氣呼氣閥對霧化吸入氣溶膠輸送效率進行觀察，研究發現，使用不同的呼氣閥，將霧化器放入呼吸管路(單管路型)中不同位置均對霧化輸送效率有影響，當霧化器放入呼氣閥與患者之間，單孔閥輸送效率最高，當霧化器放入呼吸機吸氣端和呼氣閥之間，平臺閥和靜音閥效率較高。

4.2 實現輔助控制通氣模式

一般輔助控制通氣方式(以壓力控制模式為例)呼吸周期PEEP閥的控制邏輯包含下述3個方面。

(1)吸氣相。機器控制壓力設置為機器設定的氣道峰壓報警上限值。若送氣時間段內，氣道壓低于此壓力，PEEP閥維持關閉，使實際吸氣時間與所設定吸氣時間相等；若所設定吸氣時間內出現人機對抗，導致氣道壓高于峰壓報警限，則PEEP閥打開，并觸發峰壓報警管理機制，呼吸機終止送氣并主動撤換至呼氣相。此控制機制，對非限制性肺部病變患者防止氣壓傷有積極意義，尤其像急性肺損傷(acute lung injury，ALI)和急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)類限制性肺部病變患者，因肺間質和肺泡水腫，肺泡和小氣道陷閉，病變分布有一定重力依賴性，即下肺區和背側肺區病變重，導致自身呼吸系統彈性降低和時間常數下降[16]。臨床上常使用更大的吸氣驅動壓并人為延長吸氣時間，以獲得更好的肺換氣效果，但易觸發上述高壓報警機制。

(2)控制機制。為對抗短暫的壓力浪涌，呼吸機設計者改變了對PEEP閥的控制機制，將PEEP閥吸氣相的控制壓，設定為壓力控制通氣模式(pressure control ventilation，PCV)下理論峰壓(Pinsp+PEEP)基礎上疊加2～3 kPa的水平壓力，并設定PEEP閥吸氣相可根據實際氣道峰壓與控制壓的合力驅動下動態開啟。改進后，因患者在吸氣相的咳嗽、屏氣、翻身、吸痰及拍背等造成的氣道壓高位波動將被PEEP閥的動態開啟而釋放，從而保證新鮮氣體在肺內的駐留，增加了肺內氣體交換的時間。

(3)呼氣相。在呼氣相開始時PEEP閥降低至所設定的PEEP值，此時肺內壓高于PEEP值，肺泡回縮，氣體排出，完成排酸。

4.3 降低患者有創機械通氣人機對抗

在有創通氣下，具有呼氣閥動態控制能力的呼吸機，利用BIPAP通氣呼吸模式可解決患者自主呼吸的人機對抗問題。

BIPAP通氣呼吸模式于1988年由德國Draeger公司提出，該模式對呼氣閥提出新的要求，其核心是將原來只有“開”或“關”兩個剛性動作的呼氣閥門改為3種狀態(圖5)。

閥門的上半部和傳統呼吸機呼氣閥一樣，接向呼吸機的呼氣管路。關鍵的改變是將原呼氣閥內除接受醫生設定的PEEP值的壓力不變外，增加一個隨機的、可變孔徑的柔性硅膠膜片，膜片與腔體縫隙大小和來自患者隨機引發的各種變化的壓力信號如咳嗽、深呼吸、嘆息和其他原因引發的壓力波動信號成正比，這樣就把傳統的呼吸機呼氣口徑由單一的開關狀態改變成一種新型的、靈活的、自由的和多狀態的控制狀態，解決了呼吸機的人機同步問題。

圖5 可變呼氣孔徑電磁閥原理

以往呼吸機只控制通氣方式，對無自助呼吸或自主呼吸微弱患者使用效果滿意[17]。然而，對于保留自主呼吸，甚至自主呼吸不穩定患者，控制通氣不能滿足通氣要求。擁有BIPAP通氣呼吸模式的高性能呼吸機，將動態變化的人肺作為主要控制對象，而人肺是典型的分布參數非線性時變對象，難以建立精確的數學模型，使用常規的比例-積分-微分(proportional integral differential，PID)算法[18]控制效果不好，而模糊控制在控制對象模型難以建立的情況下卻表現出優良性能[19]。BIPAP通氣呼吸模式具有高靈敏度、積極主動的呼氣閥，可良好的響應模糊控制下的動態微調，使得BIPAP通氣呼吸模式得到真正的實現。

BIPAP之所以能被成為萬能模式，其核心是患者接受呼吸機規定的正向壓力通氣的同時，患者不論在吸氣相或呼氣相，均可自由自在的自主呼吸，處于“模糊狀態”，涵蓋從機械通氣過渡到自主呼吸全過程的單一“萬能”通氣模式，與傳統控制模式相比，僅需調整呼吸參數即可使原來較難把握的撤機時機變得容易掌握[20-21]。醫生也可按需給患者機控或自主呼吸的壓力或容量、流速以及吸氣和呼氣的時間長短予以調節，從而極大增加患者舒適度，減少人機對抗，提高療效，即機械通氣患者可以像正常人一樣自由自在的呼吸。

5 展望

根據呼氣閥的使用環境不同，相信未來呼吸機的呼氣閥將向兩個不同的方向發展。適用于無創通氣的呼氣閥，需更多考慮CO2氣體排出及降低噪音等指標的提升，提高無創通氣患者的適應性和舒適度[22-24]。根據無創呼吸機的小型、便攜發展趨勢，引入物聯網技術實現呼氣閥與呼吸機的自動識別，提升整體系統的匹配性。適用于有創通氣的動態控制式呼氣閥，將會以電磁式為主要發展方向；由于網絡化技術、數字化技術在呼吸機的逐步運用，未來呼氣閥的工作特性可根據不同患者類型進行預制定義和自動識別[25-26]；通過數字技術和人工智能技術進行精密控制和數據積累與分析，為呼吸機向智能化方向發展奠定基礎[27-29]。