呼吸机流量传感器原理分析

温州市中医院设备科 （浙江 温州 325000）

内容提要：呼吸机是生命支持类设备中最重要的设备之一，目前在临床上已广泛地应用于急诊、手术室和ICU中。而呼吸机中的流量传感器，作为呼吸机中不可或缺的组成部分，呼吸机参数的采集与分析都离不开它，甚至直接影响其的准确性和有效性。文章对几种常用呼吸机流量传感器的结构以及工作原理进行分析，并且探讨常见几种常用流量传感器的维护及保养，希望对相关人员有所帮助。

呼吸机是紧急情况下或医院重症监护室中的常见生命支持设备。支持具有生理呼吸功能的患者，以及无法自发呼吸的重病患者，可减少呼吸功能的消耗，并支持呼吸和循环功能。它可以治疗由各种疾病引起的呼吸衰竭，并有助于患者在大手术后呼吸。通过不断发展的现代医疗技术和不断改进的呼吸技术，已在临床上用作急诊室，手术室和重症监护室的生命支持设备。

1.流量传感器

流量传感器普遍都设置在呼吸机的呼气端，它的主要目的是测量呼出气的潮气量，通过与吸入气的潮气量比较，从而判断出呼吸机的气路连接情况、设备状态、患者的生理状态，市场上也有一些品牌的呼吸机采集呼出气的潮气量数据控制呼吸机运作。

不同的流量传感器根据放置位置的不同，可分为末端流量触发模式和近端流量触发模式。目前市场上的呼吸机，如Drager、PB系列、Bear、鸟牌、西门子等，都采用呼出末端检测流量检测，如Drager Babylong 8000、Bear750和HAMILTON GALILEO等，则采用近端流量触发方式，可以将这种类型的传感器安装在呼吸回路Y端口和患者的气管插管之间[1]。在近端触发模式下，管道泄漏的影响很小，灵敏度提高了，可以直接测量患者的抽吸流量。这种造成混乱的主要原因是管道中水和分泌物的影响。呼出末端触发方式是通过测量传感器送气端和呼气末端之间的流量差来获得触发信号。触发信号的工作原理如下：呼吸机在风扇的空气供应连接处向空气管道提供恒定的基本电流f，通过y接口并通过呼气阀放电。管道中的流量传感器记录当前的fE，当患者吸入气体时，部分气体会进入患者的肺部。（f-fE）≥对于设定的流量接收器灵敏度（Fens），呼吸机向触发的患者提供空气。

例如，正在使用泰克Pb840呼吸机的时候，通常使用流量触发方法。呼吸机产生基本流量（Fens+1.5L/min），呼吸机在吸气和呼气结束时记录流量传感器的测量值，并确定差值。当患者吸气时，呼吸阶段的流量传感器的测量值会降低，但呼气阶段的流量传感器的测量值不会改变。如果患者进气阶段流量传感器的测量值与呼气流量传感器的测量值之差大于流量触发器的设定值，则通气将一次提供触发的空气。压力触发方法和流量触发方法之间的主要区别在于，在压力触发期间，患者必须克服气道阻力和呼气正压（PEEPi），患者的呼吸肌可以做很多事情，流量触发方法是呼吸回路中的空气可以消除压力。死腔的撞击和顺应性确保患者可以在吸入周期中呼吸新鲜气体，并具有相对较高的灵敏度以减少呼吸肌肉的负担[2]。

2.流量传感器工作原理

当前，在流量触发模式下使用的传感器主要有4种方法。即：压差流量传感器、热丝流量传感器、压力应变流量传感器、超声流量传感器。

2.1 压差流量传感器

压差流量传感器会通过流量喷嘴，特殊孔口文丘里管和其他流量限制器的流量压力下降。机器内部的压力传感器检测一对压力测量孔中的压降，根据质量守恒原理和贝努利定律，压力损失转换为流量。流量传感器具有薄膜，空气可以通过薄膜在两个方向上通过可变孔。孔的开放随着流量的变化也随之变化。随着流速的增加，它会缓慢打开，从而在孔的内部和外部之间产生压力差。同时，呼吸机的压差传感器识别到压差与流量成正比变化，并根据质量守恒原理和贝努利定律计算流量。

2.2 热丝式流量传感器

基本原理是将一根细金属线（在不同温度下金属线的电阻不同）插入被测气流中，并通过电流加热金属线以使其温度高于液体温度。随着待测气体吸收流经加热丝的热量，加热丝温度下降。气体中加热元件的散热取决于流速，通过散热电热丝的温度发生变化，电阻发生变化。流量信号则意味着经过适当的信号转换和处理后，它将转换为电信号以测量气体流量。一旦打开电源，电热丝的电阻就会迅速变热，其电阻会迅速增加，最终达到平衡[3]。当流量计流体通过交换流动时，电热丝和阻抗变化使得电桥电路之间的温度平衡被破坏，这时需要依靠提供的反馈电压信号来测量流体的流量。测量电路惠斯登桥电路（图1）：当沿对角线的电阻乘积相等时，即当R1×R3=R2×Rx时，点A的电位等于点B的电位，当热敏电阻Rx由进气空气冷却，电阻值降低，于是点A和点B之间产生电位差，运算放大器探测到这个电位差，增加了桥式电路的电压，因此，热丝电阻Rx电流也增加，热丝电阻R2的温度升高，并且电阻相应地增加，因此，A点处的电势等于B点处的电势。根据相关调查，如果一直使用过后的热丝流量传感器，就会在热丝上积累杂质，这个问题可以通过烧尽方式处理，在流量校准过程中，自动加热热丝传感器中的热丝，使其在1s内达到有效高温，烧掉附着在热丝上的灰尘。

图1.惠斯登桥电路

2.3 压力应变流量传感器

压力应变流量传感器在呼吸回路中有一条非常细的平行支气管管路，该管路使用此通道进行流量测量。将细连杆携带的金属薄板安装到支气管上，固定细连杆的一端，另一端连接到金属板上，并在细连杆和金属板之间安装压力应变传感器。当呼吸气体流过金属板时，连杆朝着压力应变检测器摆动，应变仪的电阻发生变化，并且可测量的电信号跨过应变支腿输出。这其中的信号大小取决于气体流速。

2.4 超声流量传感器

超声波传感器可以通过接收到的超声波检测到流量，是因为超声波在流体的流动中传播时就流量的变化而变化，从而转换成流量信息。因此，根据信号检测方法的不同，超声流量传感器的主要类型有多普勒法类型和声时差法类型。多普勒速度测量的原理是测量粒子的运动速度或被粒子散射的光的频率变化。声束法通过测量来回超声波脉冲传播速度的差异来反映流体的速度。

3.流量传感器的维护保养

3.1 压差式流量传感器

在应用和制造角度来看，压差式流量传感器可以分为内置式和外接式两种。内置型为吸入式，外置型为呼出式，按设置位置可分为有近端型和远端型两种形式。近端型通常由有机材料制成，主要供一次性使用，制作工艺简单，该传感器被放置在靠近患者插管或气管插管的地方，容易被患者分泌物影响准确性[4]。远端型安装在呼气回路的末端，可配置过滤保护器，通常由耐用的铝合金或有机材料制成。维护近端和远端压差式流量传感器，以保持流量传感器的清洁，通常采用多种方式，如浸泡、气体或高温。在清洗过程中，一定要注意冲洗内部的时候，水流不能太大，否则会造成限流片变形，影响测量准确性。

3.2 热丝式流量传感器

在应用和制造角度来看，热丝式流量传感器可以分为外置近端和远端及内置远端三种类型。外置型通常由有机材料制成，有一次性和耐用型两种。由于安装和检测的位置靠近患者插管或气管插管，会受到分泌物的影响。内置型安装在呼吸机呼气回路的末尾，可通过过滤保护器保护，通常由耐用的有机材料制造不受分泌物影响。无论何种热丝式流量传感器，损坏的原因大多是由热丝破裂造成的，主要损伤原因是由于患者的呼吸道分泌物附着在热丝，腐蚀热丝所导致的。因此必须保持热丝流量传感器的清洁，目前消毒方式主要通过气体、消毒液或高温消毒，消毒时注意避免在消毒液中剧烈摇晃，造成热丝的断裂。

3.3 压力应变式流量传感器

压力应变式流量传感器基本由弹性体、电阻应变片以及检测电路组成，按照它的结构和工作原理，通常分为内置型和外置远端型，由于平行支气管路较小，容易受到空气中的杂质和患者呼吸道的分泌物影响，必须加上过滤器使用，使用后需用酒精浸泡消毒，等到自然冷却干燥后方可使用[5]。

3.4 超声式流量传感器

超声式流量传感器分为外置型和内置型两种，使用时不会受到患者呼吸道的分泌物影响，故而维护保养相对其他类型的流量传感器有较少的工作，可以使用消毒液和气体消毒，消毒时注意避免碰撞，碰撞容易损伤晶体，并且要注意电气接口的干燥，不得有水，否则会引起短路。

4.小结

流量传感器是气路系统的重要部件，其所得的检测值不单单是一个数据显示，还会反过来控制呼吸机，并且也是患者监护以及报警预设的重要参数。因此，呼吸机参数的采集与分析都离不开流量传感器，甚至直接影响其的准确性和有效性。不同类型的流量传感器维护大有不同，为了提高患者的急救成活率，降低呼吸机故障率，临床使用人员和医工人员应加强呼吸机特别是流量传感器的维护保养，保障院前急救和重症患者的生命支持。