砰砰


砰——砰——


滴——


医院里心跳监测的画面,陌生而熟悉。陌生的是一种天生的恐惧与距离感,熟悉的是每个人都明白,我们都将定格在那一时刻。



2020 年,注定是不平凡的,这一年全球新冠疫情爆发,一场没有硝烟的战争在人类毫无防备之时打响。

 


根据世界卫生组织最新公布的信息,截至 2020 年 6 月 8 日早上 8:36,全球累计确诊人数达 6,881,352 例,累计死亡人数达 399,895 例。

 


信息源:WHO


WHO 方面表示,大约 14%的感染者需要住院和氧气支持,而 5%则需要入住 ICU。以中国为例,在新型冠状病毒肺炎病例中,17%的患者采用了呼吸机进行有创机械通气治疗手段。于是,医用呼吸机的需求量激增,在增量面前,有限的存量变得如此可怜。笔者之前有一篇文章重点描述了呼吸机的紧缺程度,若有兴趣,可点击查看《参考设计 | 美国巨头疫情下开源呼吸机方案》 ,这里不再赘述。而今天除了呼吸机的作用意外,我们更重要的是要来聊一聊呼吸机的发展历史和工作原理。


为何呼吸机在救治新冠病人时如此重要?


这是因为感染新型冠状病毒后,肺部细胞感染加剧,产生大量粘液,充满肺泡并阻塞分支,减少可用于气体转移的表面积,使得可用肺泡不足以支撑患者所需氧量,导致气体转移不足、呼吸困难,甚至死亡。

 


信息源:Hackday


而呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段,起到了预防和治疗呼吸衰竭,减少并发症,挽救及延长病人生命的作用。

 


 
既然呼吸机这么重要,那么呼吸机从哪里来,是怎样工作的?


呼吸机又被形象地称为通气机,最早可以追溯到 1555 年和 1667 年,Vesalius 和 Hook 就发现用向肺中充气的方法可以维持动物的生命。


1743 年,英国牧师和生理学家 StephenHales 发明了第一台“呼吸机”,用于船工和矿工的急救。

 


图 | Stephen Hales, aged 82, by J. McArdell after T. Hudson


 
图 | Image of a Ventilation Bellows devised by Stephen Hales


1864 年,Alfred Jones 发明了第一款人体封闭式呼吸机,病人坐在一个盒子里,从脖子到脚都被密封进盒子,通过柱塞来调节箱内压力,从而达到辅助呼吸的效果。记载说,这玩意儿对麻痹、神经痛、无力、哮喘、支气管炎、消化不良和耳聋都有一定的疗效。

 


1926 年,被人称为“铁肺”的箱式体外负压通气机由 Wilhelm Schwake 发明,并成功用于因脊髓灰质炎呼吸衰竭而昏迷患者的治疗,开创了机械通气史上一个里程碑。

 


1940 年,第一台间歇正压通气护麻醉机诞生并在胸外科手术和战伤的抢救中获得成功。1946 年,第一台间歇正压呼吸机应用于临床,缺点是有效的潮气量不能得到很好的保证。


时间轴转到 20 世纪 50 年代,随着心脏外科的发展,越来越多的医师认识到机械呼吸的优点。1951 年,世界上第一台容量控制型呼吸机由瑞典研制成功,救治了大量因流行性小儿麻痹引起的呼吸衰竭病人。


从此呼吸机开始真正应用于临床。


1964 年,Emerson 推出第一台电控呼吸机,使得呼吸机跨入相对精密的电子时代。


1970 年,气动呼吸机研制成功,其中传感器、逻辑元件、放大器和调节器都采用了射流原理,没有任何活动部件,但具有与电路相同的效应。


往后,自 20 世纪 80 年代以来,呼吸机进入高速发展阶段,从负压向正压,从多功能向智能化发展。


如今的呼吸机是怎么工作的呢?


呼吸机运行机制是一个模仿人体呼吸的过程,人体呼吸由三个环节组成:外呼吸、气体在血液中的运输和内呼吸。在呼吸过程中,肺通气是肺与外界环境之间的气体交换过程,动力来自于大气与肺泡气之间的压力差,实现肺通气的器官主要包括呼吸道、肺泡和胸廓。而呼吸道则是沟通肺泡与外界环境的气体通道,同时还具有加湿、加温、过滤、清洁吸入气体和引起防御反射等保护功能。
 

 


信息源:CNKI


因此呼吸机就是借助机械方法在肺泡和大气压之间建立压力差,实现强制的人工呼吸过程。呼吸机的组成除了气源、带有加湿加温过滤等功能的气体输送系统之外,还需要有电子监控系统。


是否觉得还很抽象?


下面我们把患者环路系统工作步骤具体化:
空气经过吸气风扇、过滤器、进气消音器、涡轮压缩机、出口消音机后进入空氧混合器,与氧气按照一定比例进行混合形成气源,氧气浓度在 21%~100%范围内可调。对于导管颜色的分配,见下图:
 

 


信息源:kzncpap


呼吸机的触发模式分为 3 种:压力触发、流量触发和膈肌电触发,目前市面上的呼吸机触发模式以压力触发和流量触发为主。


压力触发或流量触发的呼吸机吸气和呼气回路构成大致如下:
 


信息源:CNKI


气源通过吸气回路进入肺部,具体来说,气源会先后经过细菌过滤、吸气流量传感器、吸气阀、吸气压力传感器和湿化器后,通过气管导管送至肺部。


从肺部呼出的气体又通过气管导管,先后经过呼气压力传感器、呼气阀和呼气流量传感器排入大气中。


如果选择压力触发模式,那么就需要根据患者自主呼吸的情况,给呼吸机设置适当的压力触发灵敏度值。当压力传感器监测到患者有吸气努力,同时呼吸管道内压力低于设置的压力触发灵敏度值时,将触发呼吸机给患者送气。
 


压力触发模式通气示意图 | 信息源:CNKI


如果选择流量触发模式,那么就要细分是呼出末端流量触发方式还是近端流量触发方式了。近端触发方式是将传感器装在呼吸管路接头和患者的气管插管之间,来检测患者吸入的气体流量。其灵敏度较高,受管道漏气影响较小,但易受管道水气和杂质干扰,而目前广泛使用的呼出末端触发方式是通过检测送气端和呼气末端的流量差值,获得触发信号。其原理为:呼吸机以恒定的流量将气体输送至呼吸管路中,并监测送气端和呼出末端流量间的差值,即患者的吸气流量。患者若有吸气努力,送气端流量值保持恒定,而呼气流量值会下降,当患者的吸气流量大于流量触发灵敏度设定值时,呼吸机被触发而输送一次呼吸。


不难发现呼吸机组成囊括了多种传感器,比如压力传感器、流量传感器、温度传感器、氧浓度传感器等,这些传感器就好比是呼吸机的触角,将患者的呼吸信号转换为电生理信号,反馈给呼吸机控制大脑,随后大脑给电子控制系统发出指令,按照适当的频率及潮气量完成通气功能(一般呼吸频率为 6~20 次 / min ,要视病情需要适当调节;潮气量再 100~1200ml 范围内可调)。


那么传感器是如何工作的呢?


以压阻式压力传感器和压差式流量传感器为例。


压阻式压力传感器:
压阻式压力传感器内部集成了薄膜电阻惠斯通电桥电路,当没有压力作用时,电桥处于平衡状态,无电压输出;当受到压力作用时,电桥失去平衡而输出电压,且输出的电压值与压力成比例,由此推算出所测压力值。
 


图 | 惠斯通电桥示意图


压差式流量传感器:
气体流过传感器内部有一个薄膜片,气流可双向流过薄片的孔口,孔口大小随着气流速率改变,当流量增加时,它会步进式地打开,并在孔口里外产生压差。而呼吸机内的压差传感器会检测这一压差,并且压差随着流量线性地变化,依据贝努利定律和质量守恒原理可换算出流量。
 


图 | 压差式流量传感器原理示意图


以上是目前呼吸机的传统工作模式,未来随着生物电检测技术的发展,将电极放置患者食道内,监测呼吸中枢吸气和呼气时间以及呼吸努力程度的膈肌电触发模式也许会成为主流。


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