剖析呼吸机的工作流程
文 | 沈韩杨
上下求索，只为真知
呼吸机是一种控制系统，其输出是某些规格的富氧空气流。机械呼吸机是在手术过程中或在因严重疾病而无法自行呼吸的情况下协助患者呼吸的机器。
呼吸机是一个相对复杂的系统，它使用多个阀和传感器以及一个处理单元来实施所需的控制算法。
本文将通过控制系统，传感器和微控制器等方面来说明呼吸机的基本操作，旨在从高层次探讨呼吸机的设计。
一、呼吸机的系统组成
典型的呼吸机系统由三个主要子系统组成：
“吸气流量输送系统”负责产生和处理送入患者肺部的富氧空气。
“呼气路径”为呼气提供了适当的路径。
基于从不同传感器获得的信息以及临床医生指定的参数，微控制器（MCU）用于控制整个系统的运行。
正压呼吸机的基本操作
如上图所示，呼吸机连接到压缩的空气和氧气源。利用这些气体供应，吸气路径会产生富氧空气流。所输送的空气的几个参数（例如其压力，体积，流量和氧气百分比）是令人关注的，应由呼吸机控制。
上图所示的呼吸机通常称为正压呼吸机，因为它会施加压力大于大气压（正压）的吸气空气，以将空气推入患者的气道。
与正压呼吸机相反的是负压呼吸机，它通过在患者胸部周围产生负压来产生吸气流量，但负压呼吸机有一些局限性，故如今已经不那么普遍了。
二、呼吸机的操作模式
呼吸机具有不同的运行模式，例如，体积受控的通风，压力受控的通风等。根据所选的运行模式，呼吸机应能够输送压力，体积或流量波形符合某些预定义要求的吸气空气波形。
例如，图2显示了压力控制操作模式下的压力和流量波形，其中呼吸机在整个吸气期间将患者的气道压力保持在给定水平。应当注意，实际上，由于不同的系统非理想性和噪声源，系统可能无法完全遵循这些所需的波形。?
用于描述空气通过呼吸机的压力和流量的波形
上图中描绘的示例波形对应于相对简单的操作模式，其中呼吸机独立于患者的呼吸反应进行操作。实际上，我们需要呼吸机与患者之间进行更复杂的交互。
万一患者开始呼吸，一台先进的呼吸机将能够使其操作与此变化同步。从实现的角度来看，这需要更复杂的算法来控制系统内的阀门以及快速响应的控制回路。这些可能是复杂的呼吸机和较简单的呼吸机之间的一些关键区别。
三、呼吸机具体的工作过程
我们先来看看基本呼吸机的框图。
呼吸机框图
1、吸气流量输送系统
呼吸机框图中的绿色方框对应的就是“吸气流量输送系统”。该路径连接到调节的空气和氧气源，里面的内部调节器用于将空气和氧气源提供的气压降低到适合呼吸机的较低水平。
如上图所示，空气和氧气源连接到阀门和流量传感器，MCU监视流量传感器的输出并相应地控制阀门，然后呼吸机就能产生具有指定氧气浓度的富氧空气，并将其引导至“储气罐”。在吸气期间，呼吸机打开“吸气阀”，然后关闭“呼气阀”。“吸气阀”的控制方式是使患者接受与所需的预定义波形一致的呼吸。
而在呼吸过程中，关键因素是调节阀，我们可采用控制器设计策略，例如比例积分微分（PID）控制技术，以使不同的系统参数（例如氧气浓度，流量和压力）符合标准。
2、呼气路径
呼气期间，呼吸机打开“呼气阀”并关闭“吸气阀”。呼出的空气经过“流量传感器”和“PEEP调节机构”，其中PEEP代表呼气末正压。流量传感器的输出由MCU监控，以实现上面讨论的复杂的呼吸机-患者交互。
PEEP是呼气末时肺中存在的正压（通过“正”表示压力大于大气压）。一般情况下，呼气末的压力为零（PEEP为零）；但是，有时我们希望在呼气期间将气道压力保持在大气压以上（PEEP不为零），以防止患者的肺塌陷。
有几种创建非零PEEP的方法。一种有效的技术是将电子控制阀简单地置于呼气路径中，该动态阻力部分地阻塞了呼出空气的路径，使得气道压力保持在期望的水平。
电子控制阀示例。图片由AlexYartsev提供
3、传感器
除了到目前为止我们已经讨论过的模块外，呼吸机还需要其他一些设备。比如，需要压力传感器和二氧化碳传感器来监测气道并为患者提供复杂的输出波形和功能。
此外，由于去除了压缩气体源的水分，因此我们需要加湿器以将水分添加到输送给患者的富氧空气中。
此外，呼吸机应具有图形显示，以显示适当的设置，测量，计算和警报。
总体而言，机械呼吸机是一个相对复杂的系统，它使用多个阀门和传感器以及一个处理单元来实施所需的控制算法。
取决于所选的操作模式，呼吸机应能够以与某些预定义的所需波形一致的压力，体积或流量波形输送吸气空气。因此，呼吸机是一种控制系统，其输出是具有特定规格的富氧空气流。
