寧夏回族自治區(qū)人民醫(yī)院設備管理科 （寧夏 銀川 750021）

內容提要：呼吸機是醫(yī)院生命急救類設備，了解其基本工作原理對于醫(yī)工科的工作者非常有必要。文章介紹呼吸機的一般工作原理，并分別介紹德國德爾格公司Savina，Evtia4，V500三款呼吸機的原理，以期讀者通過了解它們工作原理的更新，對呼吸機的設計原理有初步的認識。

呼吸機是醫(yī)院生命急救類設備，在危重癥救護中起到了重要的作用。了解其基本工作原理對于醫(yī)工科的工作者非常有必要。本文以德國德爾格公司Savina，Evtia4，V500三款呼吸機為例，介紹其工作原理，以期讀者對呼吸機的設計原理有初步的認識。

1.呼吸機的一般原理

呼吸機必須具備精準的潮氣量控制，精準的吸入氧濃度控制和安全可靠的保護裝置。其一般原理如圖1所示。

呼吸機工作必須要有氧氣源和空氣源，氣源的提供方式不同，呼吸機的工作原理也大不相同。

混合器：將氧氣和空氣按照特定的比例精確混合，然后再按照一定的流量輸送給患者?；旌掀魇呛粑鼨C的核心部件。

氧傳感器：用于監(jiān)測從混合器輸出的氣體的氧濃度，俗稱氧電池。氧監(jiān)測的精確程度是反映呼吸機通氣品質的很重要的一個參數，呼吸機氧監(jiān)測的誤差范圍3%左右。

100mbar安全閥：為了保證呼吸機出現嚴重故障的時候患者的安全，當患者的氣道壓力高于100mbar的時候，安全閥打開，保護患者的肺不至于被吹破。

壓力傳感器：用于監(jiān)測患者的氣道壓力。

吸氣閥：氣體通過吸氣閥進入患者的肺。

吸氣管路：連接吸氣閥與患者的肺。

圖1.呼吸機一般原理圖

呼氣閥：氣體通過呼氣閥排向大氣。

呼氣閥管路：連接患者的肺與呼氣閥。

PEEP閥：控制呼氣閥的打開和關閉，進而控制呼氣和吸氣的轉換。PEEP閥的靈敏度，關系吸氣和呼氣的延時，是呼吸機通氣品質的重要反映。大多數呼吸機PEEP閥都是電動氣控的。

圖2.Savina呼吸機基本工作原理圖

流量傳感器：用于測量從患者肺中呼出的潮氣量，呼出潮氣量縮寫是VTe。VTe反映了患者的實際吸入潮氣量。

上述的各種部件必須有精密的控制系統才能協調的工作。這個精密的控制系統就是電路板及相應的軟件。為了方便呼吸機和醫(yī)護人員的信息溝通，呼吸機必須設計強大的用戶交互系統。

2.Draeger呼吸機的原理

目前市面上常見的德國德爾格公司三款呼吸機分別是Savina，Evtia4，V500。Savina是90年代呼吸機市場的主流產品，Evtia4是2000年市場的主流產品，V500是2012年至今市場的主流產品。這三款呼吸機混合器設計有較大差異，通氣品質也有高低，下面分別介紹。

2.1 Savina呼吸機

Savina呼吸機獨特的混合器設計，氧氣混合采用8個流量不同的電磁閥，通過程序的控制，間歇性的打開各個電磁閥，來提供所需的氧氣。空氣混合使用渦輪泵從大氣中抽取空氣，經過三層過濾后輸送給患者，送氣量是負反饋調節(jié)的。其原理圖見圖2。

圖2中V7.1～V7.8是8個電磁閥，電磁閥后面接了開度不同的8個氣阻R5.1～R5.8。因為中心供氧的壓力P是穩(wěn)定的，所以每個氣阻的流量F是一定的，它們的關系是：F=P/R。

R5.1的阻力最小，所以流過R5.1的流量最大；R5.8的阻力最大，所以流過R5.8的流量最小。呼吸機的控制系統會計算出所需的流量，從而選擇性的打開某幾個電磁閥，產生所需的氧氣流量。最后總的氧氣流量會集中儲存在氣容Volumen中，等待和空氣進行混合。

Savina呼吸機空氧混合是靠渦輪泵實現的。當醫(yī)護人員設定好了吸氣流速和氧濃度之后，呼吸機會自動計算出所需要的氧氣流量和空氣流量（氧氣流量+空氣流量=總流量）。氧氣流量通過V7.1～V7.8進行調配，總流量通過渦輪泵和內部流量傳感器S1和負反饋調節(jié)閥V1進行調節(jié)。

S1用于測量總流量的大小，如果流量偏小，系統給V1一個負偏離的信號，調小V1的開度，減小返流流量，讓更多的流量流過S1，進而輸送給患者。當S1測量得到的流量偏大，系統給V1一個正偏離的信號，調大V1的開度，增大返流流量，讓較少的流量流過S1，進而輸送給患者。在這種反饋機制下，系統會建立一個平衡，最終產生一個穩(wěn)定的流量。

圖3.紅寶石閥的結構示意圖

這就是Savina的基本工作原理。由于Savina不需要中心供空氣，所以它的應用范圍非常的廣，在目前中國市場上有較高的使用率。

2.2 Evtia4呼吸機

Evtia4呼吸機必須使用壓縮的氧氣和壓縮的空氣，氣體混合是靠紅寶石閥實現的。紅寶石閥又叫做高壓伺服閥，其關鍵部位使用了紅寶石，所以稱為紅寶石閥。紅寶石閥的結構見圖3。

圖3中綠色球形閥門就是紅寶石，根據圓球和平面的距離控制閥門開度。圓球與平面距離越近，開度越小，流量越??；圓球與平面距離越大，開度越大，流量越小。高壓的氧氣和空氣，經過紅寶石閥，直接變成了低壓的氣體，可以直接輸送給患者。

Evtia4的整體氣路圖見圖4。

圖4中Y2.1是空氣紅寶石閥，Y2.2是氧氣紅寶石閥?；旌虾玫臍怏w直接進入吸氣閥，然后直接送給患者。由于紅寶石閥非常的精密，所以Evtia4對于氣源的純度要求非常的高。如果氣源中存在雜質，會影響紅寶石閥的運轉，產生故障。所以Evtia4在進氣端安裝了兩片致密的金屬過濾網，分別是F1.1和F1.2。這兩片過濾網要定期清理，否則可能會堵塞。

圖4.Evtia4的整體氣路圖

2.3 V500呼吸機

V500呼吸機是德國德爾格公司2012年推出的一款全新的呼吸機。它構架與windows操作系統之上，能夠更加方便的與用戶進行信息交換。它采用獨特的低壓伺服閥結構，巧妙的運用正反饋機制，能夠以較低的供氣壓力輸出較高的吸氣流量。下文一起探索V500呼吸機混合器的工作原理，圖5中A框中所示為混合器。

在圖5中1是空氣源，2是氧氣源。V5，V6，V8是低壓伺服閥。每一個低壓伺服閥中包含一個高精度的流量傳感器，他們各自有一套負反饋機制。因為存在反饋機制，所以空氣源1，可以接高壓的空氣也可以接低壓的空氣。當用戶設置好氧濃度和吸氣流量之后，V500會自動計算所需要的氧氣分量和空氣分量，然后把指令下達給低壓伺服閥V5和V6，由V5和V6自己通過反饋完成系統給出的任務，輸出恰當好處的氣體。這兩種氣體在氣容7里面均勻混合。這樣就完成了氣體的混合。

與Savina和Evtia4不同的是，V500的氣體混合和氣體輸出不是一起完成的，而是分別完成的。有V5和V6完成氣體的混合，由V8完成氣體的輸送。當用戶給機器下達輸送定量流量的混合氣的時候，系統會給V8下達指令，V8中存在反饋機制，所以V8會獨立的完成氣體輸送的任務，把合適流量的氣體輸送給B框，B框是正反饋加壓模塊，用于滿足患者對于壓力的需求。

3.呼吸機的設計展望

圖5.V500呼吸機混合器的工作原理示意圖

隨著現代醫(yī)療科技的進步，呼吸機技術也會更新換代。從臨床的角度，醫(yī)護人員希望呼吸機能夠滿足他們的各種需求，比如：①呼吸機屏幕更大，更容易查看患者信息；②呼吸機操作更簡單，方便臨床的使用；③呼吸機更智能，可以針對患者的情況，自行更改模式和參數；④呼吸機監(jiān)測參數更全面，甚至可以把呼吸機和重癥監(jiān)護儀融合成一臺機器；⑤使用呼吸機的患者做CT和MRI檢查很不方便，胸廓電成像技術也會有長足的發(fā)展。