不同类型空氧混合器在呼吸机中的作用及研究分析

杨 东，刘妙芳，董俊斌

不同类型空氧混合器在呼吸机中的作用及研究分析

杨 东，刘妙芳，董俊斌

介绍了呼吸机中5种不同类型的空氧混合器的结构和原理，在3组相同参数设置条件下，对呼吸机实际氧气体积分数的测试进行了比较研究，评价了其调节控制功能的差异，指出了混合器氧气体积分数控制精度和线性在做好定标校准的情况下没有本质的区别，而混合器兼顾作为呼吸机吸入流量的控制部件时则要求较高，为设计研发、维修和临床使用人员提供参考。

空氧混合器；呼吸机；分类；比较

0 引言

呼吸机作为医院必备的抢救设备，随着技术的发展，软硬件水平也不断提高，其中空/氧混合器是关键气路部件之一。本文分析了该部件的作用及原理，并就不同类型的混合器进行了研究比较。

1 呼吸机空/氧混合器的作用及分类

空/氧混合器是呼吸机设置氧气体积分数的部件，用于临床患者救治时氧气体积分数的调节[1]，确保患者获得临床不同救治阶段所需的吸入氧气体积分数。不同形式或不同档次的呼吸机在混合器的设计或应用方面也有所不同，从构造上分有机械气动均衡式、电磁阀组合式、集氧流量调节式、比例电磁控制式和步进电动机控制式混合器[2]。而这些形式目前都还广泛使用，包括普通机型或便携式呼吸机使用机械气动式或集氧流量调节式，中档机型既有机械气动均衡式，也有比例步进调节控制式；高档机型多使用比例电磁控制式或电磁阀组合式。分析研究不同类型的空/氧混合器，了解精度响应和参数线性，对临床氧气体积分数调节和血氧检测时间有参考意义，对医工人员维修也有所帮助。

2 各类型空/氧混合器的原理分析

2.1 机械气动均衡式混合器

机械气动均衡式混合器（如图1所示）一般是独立于呼吸机以外的气动部件，或者一体化安装在呼吸机主机上。混合器内部气路设计上在高压气源输入后，有一级或二级气体均衡装置，第一级为粗调，第二级为细调。其原理是：在2路气源有差别时，压差阀芯推动膜片向低压一路腔体移动，使得压力大的一边开口小，压力小的一边开口大，隔膜的移动使失衡的压力达到均衡。部分混合器专门设定了气源压力，偏差太大时会启动报警装置（约20 psi，1 psi=6.895 kPa）。面板设置旋钮通过棍杆调节均衡器达到所需要的氧气/空气混合比例。维修方面主要是气路的密闭和隔膜顶针问题。

图1 气动均衡式混合器

2.2 电磁阀组合控制式混合器

电磁阀组合控制式（如图2、3所示）是由一个或多个电磁阀和气阻节流孔元件以及空气混合储气装置组合而成，氧气输入同样为高压（一般为40～60psi），原理是：微处理控制器通过对压力、输出流量和氧气体积分数的设定，综合调节控制电磁阀的开启组合和时间，氧气到达储气组件与空气进行混合，再通过流量控制装置向患者通气。混合的另外一路空气气源设计有高压输入和低压输入，如果氧气和空气均为高压，则空气和氧气各自的电磁阀将按照时间比例开启，开启过程由流量传感器监测流量，综合控制所需的氧气体积分数。如果空气气源是低压或常压输入，视作空气恒定输入，呼吸机脉冲控制氧气支路的电磁阀组，每个电磁阀配合一个相应的节流孔元件，根据设定的氧气体积分数，通过每个电磁阀的开启频率和节流孔的输出流量进行组合控制，达到空/氧混合比例。其中图2为空气低压输入和氧气高压输入电磁阀组的控制形式，图3为氧气和空气高压输入的双电磁阀的控制形式。

图3 双电磁阀组合式混合器

2.3 集氧流量调节式混合器

集氧流量调节式（如图4所示）属于精度相对要求不高的空/氧混合装置，应用于便携式和台式呼吸机，可通过低压氧流量计为集氧器提供一定流量的氧气，与过滤后的空气进行混合，作为给患者通气的气体，这种混合形式多用于没有高压气源的活塞式呼吸机。整体混合功能由氧气收集器、过滤器、氧流量调节器组成，按照低压氧流量与每分钟不同通气量相应的氧气体积分数关系曲线图运行调节（一般此类型呼吸机供应厂家都提供该关系图），从而达到所需要的氧气体积分数。

图4 集氧流量调节式混合器

2.4 比例电磁控制式混合器

比例电磁控制式（如图5所示）一般采用与呼吸机流量阀一体化设计，该组件由高压空/氧气源输入，2个气路分别由流量传感器检测气体流量[3]，根据设置的百分比氧气体积分数，自动调节氧气支路和空气支路的比例电磁阀，从而达到所需比例的空/氧混合气体。有混合器作用的比例电磁阀可分别控制氧气和空气，这种一体化混合器具有监测和控制功能，需定期校准，结合其他设定的通气参数，可实时进行响应及反馈控制，所以该组件空氧混合功能只是其作用的一部分，其他重要作用还包括控制呼吸机吸气峰流量、频率和潮气量等参数，通过伺服流量阀结合流量传感器控制混合器，整体响应和灵敏度都比其他形式高。

图5 比例电磁阀控制式混合器

2.5 步进电动机控制调节式混合器

步进电动机控制调节式混合器（如图6所示）通过步进电动机调节混合器气路中的比例杆，控制高压氧气和空气的进气比例。通过电路控制可以实现零氧流量到最大氧流量的步进计数校正，以便电路记忆步进比例。为了提高混合精度，在二路高压气源过滤输入后，需要减压器稳压至设定压力，作为混合器的输入气源。

图6 步进电动机控制调节式混合器

3 不同类型空/氧混合器的实测比较分析

3.1 测量环境

室内空调环境设置温度为（25±1）℃，湿度为40%±3%，广州市平均海拔高度为（10±5）m，氧浓度计使用Teledyne Analytical Instruments公司生产的MX 300I型，氧电池使用Teledyne Analytical Instruments生产的R-17MED氧电池，测量范围0%～100%，响应时间6 s内达到实测值的90%。

3.2 测量步骤

（1）呼吸机开机自检；

（2）进行流量校准后使用水肺进行潮气量测试，实测值与设置值误差小于5%的呼吸机才可进行后续测试；

（3）执行呼吸机氧气体积分数校准程序；

（4）将R-17MED氧电池连接到MX 300I氧浓度计进行校准：先在大气环境下进行空气氧气体积分数校准（下标21%），然后将氧电池通过转接头连接至医院中心供气的纯氧进行校准（上标100%）；

（5）连接通气管路和模拟肺，在呼吸机吸气端的出口连接装有R-17MED氧电池的三通转接头；

（6）选择容量控制通气，按照设定的条件设置参数（潮气量、流速、呼吸频率、氧气体积分数）；

（7）通气1 min后读取氧浓度计测定的读数。

3.3 测量方法

对多个品牌呼吸机不同类型的混合器测量比较，方法是在上述测量条件下对所有呼吸机设置以下3组呼吸机参数进行通气，然后分别检测呼吸机输出给患者21%、50%和95%的氧气体积分数。

（1）第1组参数：潮气量Vt=100 mL，吸气峰流量F=15 L/min，呼吸频率f=20；

（2）第2组参数：潮气量Vt=500 mL，吸气峰流量F=30 L/min，呼吸频率f=20；

（3）第3组参数：潮气量Vt=1 000 mL，吸气峰流量F=15 L/min，呼吸频率f=20；

4 测量比较

（1）机械气动均衡式混合器：通过表1实测值可见，机械气动均衡式混合器（机型：纽邦E150，E200）不同氧气体积分数时整体线性一般，实测氧气体积分数与设置值偏离度较小、稳定性较好，整体氧气体积分数略微偏高。

（2）步进电动机控制式混合器（机型：bear 1000）：通过表2测量值可见，整体线性基本一致，但各机型之间稳定度不高，与设置值相比，实测氧气体积分数整体都略偏高，其中1台偏高较多。

表1 机械气动均衡式混合器检测氧气体积分数%

表2 步进电动机控制式混合器检测氧气体积分数%

（3）比例电磁控制式混合器（机型：德尔格Evita 2，Evita 4，Evita XL）：从表3可见，相对测量数量较多，结果整体线性一致性较好，3组参数测量值与设置值较为一致，只有1台低潮气量50%测量值略偏低。

（4）比例电磁控制式混合器（机型：西门子300A，迈柯唯Servo-i）：测量结果见表4，测试机型略少，除1台外，整体3组参数氧气体积分数测量值随着设置值的提高而整体偏高，但各组测量值线性基本良好。

（5）比例电磁控制式混合器（机型：PB7200，PB840）：测量值见表5，各组测量值线性基本良好，个别设备高氧气体积分数时实测值略高，实测氧气体积分数与设置值偏离度较小。

（6）电磁阀组合式混合器（机型：鸟牌Vela，德尔格Savina，泰科PB760）：具体检测数据见表6，检测机型中1台Vela机型ADT01450线性不好，其他4台线性基本良好，高氧气体积分数时稳定性一般。

（7）集氧流量调节式混合器（机型：熊牌BEAR33）：测量值见表7，检测机型只有2台，线性一般，实测氧气体积分数与设置值偏离度相对较多，高氧气体积分数时更明显偏低。

表3 比例电磁控制式混合器检测氧气体积分数 %

表4 比例电磁控制式混合器检测氧气体积分数%

表5 比例电磁控制式混合器检测氧气体积分数%

表6 电磁阀组合式混合器检测氧气体积分数%

表7 集氧流量调节式混合器检测氧气体积分数%

5 分析

上述43台呼吸机有14款机型共5种类型的空氧混合器，在统一标准的设置参数和测试条件下，其中比例电磁控制式混合器实测数量最多，实测氧气体积分数与设置值的偏离度、稳定性和线性最好。其次是机械气动均衡式混合器和步进电动机控制调节式混合器，再次是电磁阀组合式混合器，最后是集氧流量调节式。从结构上分析呼吸机中不同类型空氧混合器如下：

（1）机械气动均衡式混合器：属于机械气动部件构成类型，耐用性和稳定性较好，精度不如电子阀门控制类型，不能自动进行校准，要求空/氧气源质量相对较高一些，否则湿度大或杂质多易影响混合器精度和内部比例调节杆的控制。

（2）步进电动机控制式混合器：属于电动机控制机械比例杆调节氧气体积分数类型，步进电动机与机械部件安装精度要求较高，以保障空氧开启机械位置比例的准确，能够通过软件控制起始零流量和最大流量，开机进行校正，对空氧输入压力一致性要求较高。因此，在高氧气体积分数和机械混合腔体开启较大的情况下，稳定性一般，氧气体积分数偏高。

（3）比例电磁控制式混合器：由比例电磁阀直接控制阀杆带动调节膜片，可在开机时和通气过程中自动进行氧气和空气流量定标校准，氧气体积分数调节控制的稳定性和线性都较好，主要用于高档机型。实测案例中，有3种不同品牌的7款机型，相对其他类型的混合器而言，实测氧气体积分数与设置值偏离最小，但个别机型也有高氧气体积分数时略偏高的情况。

（4）电磁阀组合式混合器：由1个或多个普通电磁阀直接控制氧气，需要软件分别按照程序控制开启脉冲时间，结合气阻元件进行氧气体积分数调节。氧气体积分数的精度和线性等有赖于电磁阀的精度，一般用于中低端机型，本次检测机型高氧气体积分数时稳定性一般。

（5）集氧流量调节式混合器：一般将低压氧气作为气源，通过调节氧流量控制进入集氧器的氧流量，从而按照比例带入空气进行混合，收储集氧器中等待通过活

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）塞抽入输送给患者的气体，属较为粗糙的控制，因此线性一般，实测氧气体积分数与设置值偏离度相对较多，高氧气体积分数时更明显偏低[4]。

上述结果说明不同档次的混合器配置不同档次的呼吸机，既有结合流量控制的需要，也有精度和线性的要求，更有成本控制的考虑。综合整体实测结果，可以看出呼吸机混合器不同档次实际氧气体积分数有所差异，其中集氧流量调节式混合器属简易型，难以进行控制，仅用于低端呼吸机。其他几个类型的混合器中比例电磁控制式混合器精度和线性较好，在做好定标校正后，整体差异不会较大，一般根据呼吸机的档次和吸气峰值流量的控制能力来选用混合器。

6 结论

通过对呼吸机中关键部件空氧混合器的原理分析和实测比较，使我们对5种不同类型空氧混合器的特点有所了解。在相同呼吸参数和设置测量条件下，对各自的氧气体积分数进行了比较分析，从临床医生实际使用设置上影响并不大，一般情况下医生基本不会根据氧气体积分数设置偏差而判断治疗效果，而是根据患者的血气分析数据进行反馈调节至合适的氧分压[5]。但不可定标测试和可控的低端混合器如果偏差较大时，使用难以发现，建议使用氧气浓度计辅助监测。总体来说，呼吸机空氧混合器首要作用是氧气体积分数的调节功能，该功能的精度和线性要求并不很高，在高档机型中空氧混合器同时也是呼吸机吸入流量的控制部件，因此控制功能、精度和线性都较好，从而保证患者吸入峰值流量的有效控制，使用中氧气体积分数偏差随时可以监测报警。通过上述比较、测试和分析，可使医护人员和医工人员较全面了解呼吸机空氧混合器的作用、原理及不同类型的差别，为设计研发、维修和临床使用人员提供参考。

[1]王保国，周建新.实用呼吸机治疗学[M].北京：人民卫生出版社，2005：51-91.

[2]刘妙芳，杨东，黄平坚.呼吸机分类新论及关键气路组件综合技术分析[J].医疗卫生装备，2008，29（3）：35-38.

[3]杨东，刘妙芳.流量传感器的技术特点以及在呼吸机中的应用[J].现代科学仪器，2004（2）：40-42.

[4]李雪源，武振虎，卢娟.呼吸机质控检测发现的问题及解决方法[J].医疗卫生装备，2014，35（7）：116-118.

[5]孟保文，张永寿，汪鹏飞，等.呼吸机质量控制检测结果分析及对策研究[J].医疗卫生装备，2014，35（6）：93-95.

（收稿：2014-03-04 修回：2014-08-10）

Roles of types of air-oxygen mixers in ventilator

YANG Dong,LIU Miao-fang,DONG Jun-bin
（The First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangzhou 510120,China）

Five types of air-oxygen mixers of the ventilator are introduced from the structures and working principles. The oxygen concentration is measured in three groups of conditions by comparison,in order to evaluate the mixers' performance of air-oxygen ratio control.The result is that there are not statistics differences in linear and fidelity between different types of mixers under the well calibrated condition,which can be helpful for researchers,repair engineering and clinical operators.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：112-115，119]

air-oxygen mixer;ventilator;classification;comparison

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）01-0112-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.112

杨 东（1959—），男，高级工程师，主要从事医疗设备维修和管理方面的研究工作，E-mail：1176521107@qq.com。

510120广州，广州医科大学附属第一医院（杨 东，刘妙芳，董俊斌）