三种呼吸机气动系统的比较与分析

陈学斌 刘利荣

三种呼吸机气动系统的比较与分析

陈学斌① 刘利荣②

目的：掌握呼吸机的气动系统，为呼吸机气动部分的故障筛查和排除提供技术支持。方法：分析临床常用三种呼吸机Servo-i/s、Rapheal XTC及PB840的气动系统结构，比较不同呼吸机气动系统结构的差异。结果：了解三种呼吸机的气动系统的结构及差异，为筛查和排除呼吸机气动部分故障提供了有效的帮助。结论：呼吸机的气动系统是呼吸机的重要组成部分，对不同呼吸机的气动系统差异的认识、掌握，便于临床呼吸机故障的分析及排除。

呼吸机；气动系统；结构；比较

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

呼吸机是一种人工的机械通气装置，用于辅助或控制患者的自主呼吸运动，以达到肺内气体交换的功能，降低人体的消耗，利于患者呼吸功能的恢复[1]。呼吸机在临床呼吸衰竭抢救手术中和手术后患者的复苏和呼吸治疗等方面有广泛的应用[2-3]。呼吸机硬件设备主要由气动系统、电路系统组成。呼吸机气动系统由吸气组件系统、患者环路系统和呼气组件系统组成[4]。本研究通过分析Rapheal XTC型、Servo-i/s型和PB840型三种常见的呼吸机的气动结构，比较其结构差异，为呼吸机气动系统的维修、维护提供技术支持。

1 呼吸机的呼气组件系统比较

呼吸机气动部分的吸气组件系统是呼吸机气路的主要组成部分，该组件是控制高压气体进入呼吸机，并且对进入患者呼吸循环的潮气量及其相关参数如氧气浓度等进行调控的关键组件。

1.1 Servo-i/s型呼吸机的吸气组件系统

(1)当Servo-i/s型呼吸机接通外源高压气源后气流通过进气口处滤膜进入呼吸机，滤膜可对呼吸机起到保护作用。滤膜外壳上有个单向阀，此阀可防止在失去外接高压气源时进入呼吸机的气流的回流。温度传感器和压力传感器对外接高压气体的温度和压力进行检测。其检测信号传递至呼吸机后通过压力的改变来补偿由于温度变化导致气体潮气量的改变，是对流量的一种补偿调控。

(2)气体经过压力传感器后会经过流量传感器，流量传感器为网状结构，使传感器两端的气流产生压力差，流量传感器通过压力差来计算传输气体的流量。气流经过流量传感器进入喷嘴组件后受到吸气螺线圈的调控，呼吸机根据设定值调控吸气螺线圈中的电压而调控进入的气流量。空气和氧气的气流通过喷嘴组件在橡皮连接管处混合并且进入吸气管。吸气管上的氧气传感器用于检测混合后气体的氧浓度。

(3)在呼吸机的吸气管上连有吸气压力传感器，用于实时检测吸气管中供给患者的气流压力，当吸气管中压力超过设定压力最高值0.5 kPa时呼吸机开始报警，当吸气管中的压力超过(11.7±0.07) kPa压力时，吸气管上的安全阀会强制打开，以保证患者的安全。安全阀受电磁控制，在机械故障或气源缺失的情况下则处于打开状态[5-6]。

1.2 Rapheal型呼吸机的吸气组件系统

(1)Rapheal型呼吸机接通高压气源后高压气体进入积水杯，积水杯中含有滤膜，滤膜可起到过滤作用，其凝结水会聚集在积水杯杯底，然后经过单向阀(防止气流的回流)后进入呼吸机的混合阀，最后进入气动模块上的烧制节流器。混合阀受电磁螺线圈控制，其处于打开状态时气流进入储气罐，混合阀能够检测通过的气流量。

(2)在节流器上有一个压力传感器dPmixer，通过检测节流器前后两端的压力差来检测高压气流的压力，呼吸机通过压力信号的变化控制气体混合阀的开、闭来调控进入气罐的气流量。Rapheal呼吸机的电磁混合阀、烧结的节流器、压力差传感器和气罐共同完成呼吸机中高压氧气和空气的混合。气罐的压力传感器Ptank检测气罐中混合气体的压力，氧电池检测混合气体中氧气的浓度。

(3)在气罐混合后的气体流向过压保护阀、雾化器电磁阀和吸气阀而流向患者。①过压保护阀是机械阀，不受电磁控制，当气罐中的压力过高时气流会将过压保护阀打开，保证气罐内的压力安全；②雾化器电磁阀在设定的条件下打开，对患者进行雾化治疗；③吸气阀是一个电子线圈阀，其开关直接控制进入患者呼吸循环的潮气量。

(4)在吸气阀的下匣室相连的有一个环境阀，当呼吸机失灵时环境阀打开，允许患者从外界吸入空气。在吸气阀下匣室相连的管路中有一个患者过压保护阀，同样是不受电路控制的机械阀，当患者环路中气压过高时会打开，保证患者的安全。在Rapheal型呼吸机气动系统中气罐超压保护阀和患者环路超压保护阀共同位于安全阀组件中，组成呼吸机的安全阀[7-8]。

1.3 PB840型呼吸机的吸气组件系统

当接通PB840型呼吸机高压气源后，气流通过进气口经过一个压力开关，当气源压力达到137.9 kPa时压力开关正常打开，气源压力达到217.2 kPa时压力开关关闭。高压氧气和高压空气经过压力开关后所经过的气路略有不同：①高压氧气先经过冲击筛滤膜，该滤膜可过滤掉直径为65～110 μm的碎片，经过一次过滤后会再经过可滤掉直径＞3 μm的碎片的另一个滤膜进入氧气调控器；②高压空气经过压力开关后只经过一次滤膜，除掉气体中直径＞3 μm的碎片后进入一个单向阀多支管组件中。气流经过此单向阀多支管组件后，进入空气调控器。调控器上有一个气压阀TP，可检测氧气和空气调控器的设置[9](如图1所示)。

在PB840型呼吸机中，空气和氧气气流通过分配电磁阀POSL后开始混合。安全阀与混合后气体相通，安全阀是受电磁控制的，当呼吸机运行时，电磁阀强行关闭，允许气流传输给患者。当安全阀出口压力超过11.5 kPa压力时或当呼气压力传感器检测呼气口压力达到10 kPa时，安全阀会被打开来释放压力，当呼吸机突然失灵时安全阀会打开允许患者呼吸外界空气。

混合气流通过吸气单向阀输送到呼吸管路中，并会阻止呼出的气流回流。气流经过单向阀后，氧电池会检测传输于患者的混合气体氧气浓度，当氧气浓度的差异＞±7%时氧电池会报警。混合后的气流压力经PI吸气压力传感器检测，吸气压力传感器的自动归零螺线包周期性地将吸气压力传感器的基准偏差设置归零[10-11]。

1.4 三种呼吸机吸气组件的比较

三种呼吸机的吸气组件其功能相同，但结构却互有差异。

(1)空气和氧气气流混合过程中，Servo-i/s型呼吸机是经过电磁螺线圈后在胶皮连接管处混合；Rapheal型呼吸机是在专用气罐中混合；PB840型呼吸机是在经过两重的气流调控后在管路中混合。在此部分功能中Rapheal型呼吸机的气罐可使气流混合更为均匀，并可保证输出气流的稳定性。

(2)在气流调控方面，Servo-i/s型和Rapheal型呼吸机均是空气和氧气在混合前受一次电磁螺线圈的调控，而PB840型呼吸机在受电磁螺线圈的调控前由一次受载弹簧控制的通风管调控器调控，高压气流在经过调控后保证气体供应的稳定性，此调控可以消除两种气源压力的差异。

(3)单向阀和安全阀的差异，Servo-i/s型和Rapheal型呼吸机的单向阀都位于进气口处，此处可防止气源丢失的条件下气流的回流。PB840型呼吸机的单向阀位于空气和氧气气流混合处，此处单向阀可防止患者呼出的气体进入呼吸机。

图1 PB840型呼吸机吸气组件结构图

(4)三种呼吸机中安全阀不同，其中Servo-i/s型和PB840型均为电磁控制的安全阀，且都只有1个，位于气体混合后的部分。当呼吸机失灵时安全阀则会打开，保证患者可从外界呼吸空气。而Rapheal呼吸机的安全阀组件较为复杂，其中含有2个过压保护阀，分别为呼吸机的气罐过压保护阀和呼吸管路过压保护阀，其均为机械阀。当气罐或呼吸管路中压力达到一定程度时，与其相通的阀会打开，保护呼吸机和患者的安全。当与呼吸管路过压保护阀打开后患者会直接呼吸空气；当呼吸机不能向患者传输气体时位于吸气阀处的环境阀可打开，患者可直接呼吸空气。

2 呼吸机的患者环路系统

患者环路系统指气体从呼吸机的吸气组件系统输出后进入患者呼吸循环系统，然后输出到呼吸组件的过程，其中包含呼吸管路和湿化罐[12-13]。三种呼吸机的环路系统相差甚小，Rapheal呼吸机的患者环路系统除呼吸管路和湿化罐外还包含了流量传感器和雾化器的接口。该呼吸机的流量传感器可以检测患者吸入和呼出气流的流量。

3 呼吸机的呼气组件系统

呼吸机的呼气组件系统是指患者呼出的气流进入呼吸机并排到室外的组件。

3.1 Servo-i/s呼吸机的呼气组件系统

Servo-i/s呼吸机的气流通过连接管进入呼气组件，气流进口处的设计便于冷凝水流出，其滤膜可防止呼气系统污染。在呼气组件的气路中有两个超声发射器和接收器，通过检测气流上游、下游的超声接收和发射的时间差来检测呼气气流的流量，呼气气路中的温度传感器用于检测呼气气流温度，所测温度用于辅助计算气流的呼气流量。呼气组件中的压力传感器用于检测呼出气流的压力。呼出的气流经过呼气阀呼出，呼气阀有受呼气阀螺线圈控制的滤膜，可使用1000万个循环。气流进入呼气阀后经过呼气单向阀，以防止呼出气流的回流并呼出的气流排到室外[14](如图2所示)。

图2 Servo-i/s呼吸机呼气组件结构

3.2 Rapheal呼吸机的呼气组件系统

Rapheal呼吸机的呼气系统组件由塑料外壳、硅胶膜、进气口和出气口组成，硅胶模覆盖在患者进气口上。Rapheal呼吸机通过电磁螺线圈控制的呼气阀调控硅胶膜位置可控制气流的呼出(如图3所示)。

图3 Rapheal呼吸机呼气组件结构

3.3 PB840呼吸机的呼气组件系统

PB840呼吸机的呼气系统如图4所示，患者呼出的气流通过滤膜进入呼气阀，在滤膜外有可收集患者呼出气体凝结水的积水杯，气流经过滤膜和一个单向阀后通过单向阀相连处的压力传感器检测患者呼出气流的压力；呼出气流的流量由流量传感器检测[15]。呼出的气体经过流量传感器后进入呼气阀，当患者吸气时此阀关闭，防止气流回流，当患者呼气时此阀打开。呼气阀的开闭程度可控制呼气末压力值。

图4 PB840呼吸机呼气组件

3.4 三种呼吸机的呼气组件系统的差异

(1)三种呼吸机的流量传感器。Servo-i/s呼吸机和PB840呼吸机的流量传感器是单独位于呼气组件中，而Rapheal呼吸机的吸气和呼气流量传感器是1个，且位于患者环路系统中。Servo-i/s呼吸机呼气组件的流量通过两个超声流量传感器来检测，而PB840呼吸机的流量是采用电热片式的流量传感器来检测。

(2)三种呼吸机的压力传感器。Servo-i/s呼吸机和PB840呼吸机有相应的压力传感器，Rapheal呼吸机在流量传感器两端有一个压力传感器用于检测其压力差来监测呼气端的流量和呼气端的压力。

4 结语

呼吸机的气动部分是呼吸机的重要组成部分，其正常运转关系到呼吸机的安全使用。Rapheal XTC型、Servo-i/s型和PB840型呼吸机是目前临床常用类型的呼吸机，本研究分析了该类呼吸机气动部分的工作原理，比较了不同品牌呼吸机气动部分的差异，为临床呼吸机的使用和维护提供技术支持。

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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中日友好医院医学工程处 北京 100029

②诸城市人民医院关节外科 山东 诸城 262200

陈学斌,男,(1984- ),博士，助理工程师。中日友好医院医学工程处，从事呼吸机的维修维护工作。