Draeger 呼吸机设计原理

宁夏回族自治区人民医院设备管理科 （宁夏 银川 750021）

内容提要：呼吸机是医院生命急救类设备，了解其基本工作原理对于医工科的工作者非常有必要。文章介绍呼吸机的一般工作原理，并分别介绍德国德尔格公司Savina，Evtia4，V500三款呼吸机的原理，以期读者通过了解它们工作原理的更新，对呼吸机的设计原理有初步的认识。

呼吸机是医院生命急救类设备，在危重症救护中起到了重要的作用。了解其基本工作原理对于医工科的工作者非常有必要。本文以德国德尔格公司Savina，Evtia4，V500三款呼吸机为例，介绍其工作原理，以期读者对呼吸机的设计原理有初步的认识。

1.呼吸机的一般原理

呼吸机必须具备精准的潮气量控制，精准的吸入氧浓度控制和安全可靠的保护装置。其一般原理如图1所示。

呼吸机工作必须要有氧气源和空气源，气源的提供方式不同，呼吸机的工作原理也大不相同。

混合器：将氧气和空气按照特定的比例精确混合，然后再按照一定的流量输送给患者。混合器是呼吸机的核心部件。

氧传感器：用于监测从混合器输出的气体的氧浓度，俗称氧电池。氧监测的精确程度是反映呼吸机通气品质的很重要的一个参数，呼吸机氧监测的误差范围3%左右。

100mbar安全阀：为了保证呼吸机出现严重故障的时候患者的安全，当患者的气道压力高于100mbar的时候，安全阀打开，保护患者的肺不至于被吹破。

压力传感器：用于监测患者的气道压力。

吸气阀：气体通过吸气阀进入患者的肺。

吸气管路：连接吸气阀与患者的肺。

图1.呼吸机一般原理图

呼气阀：气体通过呼气阀排向大气。

呼气阀管路：连接患者的肺与呼气阀。

PEEP阀：控制呼气阀的打开和关闭，进而控制呼气和吸气的转换。PEEP阀的灵敏度，关系吸气和呼气的延时，是呼吸机通气品质的重要反映。大多数呼吸机PEEP阀都是电动气控的。

图2.Savina呼吸机基本工作原理图

流量传感器：用于测量从患者肺中呼出的潮气量，呼出潮气量缩写是VTe。VTe反映了患者的实际吸入潮气量。

上述的各种部件必须有精密的控制系统才能协调的工作。这个精密的控制系统就是电路板及相应的软件。为了方便呼吸机和医护人员的信息沟通，呼吸机必须设计强大的用户交互系统。

2.Draeger呼吸机的原理

目前市面上常见的德国德尔格公司三款呼吸机分别是Savina，Evtia4，V500。Savina是90年代呼吸机市场的主流产品，Evtia4是2000年市场的主流产品，V500是2012年至今市场的主流产品。这三款呼吸机混合器设计有较大差异，通气品质也有高低，下面分别介绍。

2.1 Savina呼吸机

Savina呼吸机独特的混合器设计，氧气混合采用8个流量不同的电磁阀，通过程序的控制，间歇性的打开各个电磁阀，来提供所需的氧气。空气混合使用涡轮泵从大气中抽取空气，经过三层过滤后输送给患者，送气量是负反馈调节的。其原理图见图2。

图2中V7.1～V7.8是8个电磁阀，电磁阀后面接了开度不同的8个气阻R5.1～R5.8。因为中心供氧的压力P是稳定的，所以每个气阻的流量F是一定的，它们的关系是：F=P/R。

R5.1的阻力最小，所以流过R5.1的流量最大；R5.8的阻力最大，所以流过R5.8的流量最小。呼吸机的控制系统会计算出所需的流量，从而选择性的打开某几个电磁阀，产生所需的氧气流量。最后总的氧气流量会集中储存在气容Volumen中，等待和空气进行混合。

Savina呼吸机空氧混合是靠涡轮泵实现的。当医护人员设定好了吸气流速和氧浓度之后，呼吸机会自动计算出所需要的氧气流量和空气流量（氧气流量+空气流量=总流量）。氧气流量通过V7.1～V7.8进行调配，总流量通过涡轮泵和内部流量传感器S1和负反馈调节阀V1进行调节。

S1用于测量总流量的大小，如果流量偏小，系统给V1一个负偏离的信号，调小V1的开度，减小返流流量，让更多的流量流过S1，进而输送给患者。当S1测量得到的流量偏大，系统给V1一个正偏离的信号，调大V1的开度，增大返流流量，让较少的流量流过S1，进而输送给患者。在这种反馈机制下，系统会建立一个平衡，最终产生一个稳定的流量。

图3.红宝石阀的结构示意图

这就是Savina的基本工作原理。由于Savina不需要中心供空气，所以它的应用范围非常的广，在目前中国市场上有较高的使用率。

2.2 Evtia4呼吸机

Evtia4呼吸机必须使用压缩的氧气和压缩的空气，气体混合是靠红宝石阀实现的。红宝石阀又叫做高压伺服阀，其关键部位使用了红宝石，所以称为红宝石阀。红宝石阀的结构见图3。

图3中绿色球形阀门就是红宝石，根据圆球和平面的距离控制阀门开度。圆球与平面距离越近，开度越小，流量越小；圆球与平面距离越大，开度越大，流量越小。高压的氧气和空气，经过红宝石阀，直接变成了低压的气体，可以直接输送给患者。

Evtia4的整体气路图见图4。

图4中Y2.1是空气红宝石阀，Y2.2是氧气红宝石阀。混合好的气体直接进入吸气阀，然后直接送给患者。由于红宝石阀非常的精密，所以Evtia4对于气源的纯度要求非常的高。如果气源中存在杂质，会影响红宝石阀的运转，产生故障。所以Evtia4在进气端安装了两片致密的金属过滤网，分别是F1.1和F1.2。这两片过滤网要定期清理，否则可能会堵塞。

图4.Evtia4的整体气路图

2.3 V500呼吸机

V500呼吸机是德国德尔格公司2012年推出的一款全新的呼吸机。它构架与windows操作系统之上，能够更加方便的与用户进行信息交换。它采用独特的低压伺服阀结构，巧妙的运用正反馈机制，能够以较低的供气压力输出较高的吸气流量。下文一起探索V500呼吸机混合器的工作原理，图5中A框中所示为混合器。

在图5中1是空气源，2是氧气源。V5，V6，V8是低压伺服阀。每一个低压伺服阀中包含一个高精度的流量传感器，他们各自有一套负反馈机制。因为存在反馈机制，所以空气源1，可以接高压的空气也可以接低压的空气。当用户设置好氧浓度和吸气流量之后，V500会自动计算所需要的氧气分量和空气分量，然后把指令下达给低压伺服阀V5和V6，由V5和V6自己通过反馈完成系统给出的任务，输出恰当好处的气体。这两种气体在气容7里面均匀混合。这样就完成了气体的混合。

与Savina和Evtia4不同的是，V500的气体混合和气体输出不是一起完成的，而是分别完成的。有V5和V6完成气体的混合，由V8完成气体的输送。当用户给机器下达输送定量流量的混合气的时候，系统会给V8下达指令，V8中存在反馈机制，所以V8会独立的完成气体输送的任务，把合适流量的气体输送给B框，B框是正反馈加压模块，用于满足患者对于压力的需求。

3.呼吸机的设计展望

图5.V500呼吸机混合器的工作原理示意图

随着现代医疗科技的进步，呼吸机技术也会更新换代。从临床的角度，医护人员希望呼吸机能够满足他们的各种需求，比如：①呼吸机屏幕更大，更容易查看患者信息；②呼吸机操作更简单，方便临床的使用；③呼吸机更智能，可以针对患者的情况，自行更改模式和参数；④呼吸机监测参数更全面，甚至可以把呼吸机和重症监护仪融合成一台机器；⑤使用呼吸机的患者做CT和MRI检查很不方便，胸廓电成像技术也会有长足的发展。