呼吸機的基本原理與通氣模式

關(guān)于呼吸機的基本原理與通氣模式機械通氣的發(fā)展歷程口對口人工呼吸1800年前，金匱要略、華佗醫(yī)方中有類似體外按壓人工呼吸的記載1300年前，圣經(jīng)上有“口對口”描述

無創(chuàng)正壓機械通氣有創(chuàng)1792年，首次在人身上實施氣管切開、插管及風箱式正壓通氣技術(shù)。負壓機械通氣無創(chuàng)1928年，“鐵肺”箱式負壓治療機。

人力作動力

電力機械作為動力正壓機械通氣1950’讓位于技術(shù)上得到很大改進的有創(chuàng)無創(chuàng)呼吸機多功能呼吸機1981年Sullivan無創(chuàng)口鼻面罩。人工智能呼吸機人工智能無創(chuàng)呼吸機并存時代第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

20世紀初，隨著人工氣道技術(shù)和喉鏡直視氣管插管技術(shù)的成熟，正壓機械通氣在麻醉和外科領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。1940年，第一臺間歇正壓通氣（IPPV）麻醉呼吸機被發(fā)明，用于胸科手術(shù)和ARDS。1946年，Bennet公司研制出世界第一臺初具現(xiàn)代呼吸機基本結(jié)構(gòu)的間歇正壓呼吸機PR-1A（氣動氣控壓力限制型）。呼吸機的起源與發(fā)展第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天呼吸機的起源與發(fā)展回顧正壓機械通氣60多年的發(fā)展歷史，我們認為它較好地體現(xiàn)了臨床醫(yī)學(xué)與電子技術(shù)、機械工程相互交叉和滲透，彼此促進和提高的一個發(fā)展過程，是“醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程技術(shù)完美結(jié)合”的典范（BME）。第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天呼吸機的組成

可分為兩大部分或三部分：主機(氣路單元+監(jiān)控單元)濕化器(溫控+濕化灌)空、氧氣源提供裝置

—床邊壓縮機+O2氣源

—中心氣源(Air、O2)(2.5~5.5)kg/cm2

第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天呼吸機各部分主要功能主機——氣源處理、吸呼控制、監(jiān)測報警混合器——外置或內(nèi)置機械式，比例閥混合。濕化器——病人吸入氣體的加溫、加濕病人管路——5-6根螺紋管、接濕化器或霧化吸入器，病人吸入和呼出氣體的傳輸。氣源——以適當方式提供壓縮空氣和氧氣）其它——主機和病人管路的固定或支撐裝置第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天空氧配比方式機械配比電子配比第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天有創(chuàng)正壓通氣的人機系統(tǒng)工程輸入主機的氣體為高壓，要求干燥、潔凈；輸出給病人的混合氣體為低壓，要求溫暖、濕潤并達到有效的肺泡通氣量。第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天主機工作原理①壓縮氣源的處理：減壓、過濾；②空氣、氧氣配比混合，穩(wěn)壓，送到吸氣閥；③在吸氣相按約定通氣模式和參數(shù)向病人送氣；④同時監(jiān)控參數(shù)、滿足條件,“切換”到呼氣相；⑤打開或不完全打開呼氣閥完成呼氣過程；⑥檢測病人的狀態(tài)，進入下一個呼吸周期（下一個吸氣相的開始）。第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天基本原理示意圖第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天通氣控制流程空氣、氧氣配比混合(干燥的氣體)；細菌過濾（減少感染）；降至低壓、穩(wěn)定壓力、緩存一定量氣體；吸氣回路PID控制（實現(xiàn)各種通氣模式）；經(jīng)濕化器加溫、加濕（霧化）到病人；呼氣回路PID控制（實現(xiàn)PEEP等），呼出氣體排到大氣中。第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天呼吸機的分類

目前沒有統(tǒng)一分類標準，可按習慣分為：按使用對象成人型、嬰幼兒型、通用型多功能呼吸機；按工作原理氣控氣動、電控氣動、電控電動呼吸機；按人機接口方式有創(chuàng)或無創(chuàng)正壓通氣呼吸機；按機器的功能急救、麻醉、治療、家用、高頻振蕩、噴射。第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天通氣模式的定義及特點——臨床常用的基本通氣模式第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天機械通氣吸、呼切換狀態(tài)分析兩個“開始、轉(zhuǎn)換或切換”兩個“相或過程內(nèi)含保持”第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天正壓通氣和生理性呼吸的區(qū)別與聯(lián)系第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天主要物理量和參數(shù)時間量及參數(shù)氣體流量及參數(shù)氣道壓力及參數(shù)溫度、濕度參數(shù)需要非常清楚地了解各參數(shù)的物理涵義及其作用或影響。第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天時間參數(shù)及其符號(1)通氣頻率(f：0～120)bpm(2)吸呼比(I:E=Ti:Te

)(3)吸氣時間Ti

(s)、Trise

(s)(4)呼氣時間Te(s)(5)屏氣時間TP(s)是吸氣時間的一部份，通常設(shè)定為T的10%，臨床根據(jù)病情和呼吸習慣適當增加或減少。周期：T=Ti+Te，f=60s/(Ti+Te)bpm第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天容量和流量參數(shù)及其符號(1)分鐘通氣量(MV，L/min)=VT×f(2)潮氣量(TV/VT，ml)=VTI=VTE=∫F.dt(3)吸氣流量(F

，l/s)，是一個動態(tài)參數(shù)，峰值流速Fpeak

：影響吸呼比和吸氣波形(4)嘆氣/深吸氣Sign：1.5或2倍的VT

/100次(5)流量觸發(fā)靈敏度(FT，L/min)，包括吸氣和呼氣觸發(fā)靈敏度（需高速動態(tài)閥）第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天吸氣流量觸發(fā)靈敏度第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天壓力參數(shù)及其符號(1)氣道壓力(AirwayPressure，Pair/Plung不一致)是一個動態(tài)物理參數(shù)，波形、光柱：

Ppeak,Pplateau,Pmean（cmH2O或kPa）(2)吸氣壓力水平(Pi-Level：0～10kPa)？(3)呼氣末正壓(PEEP：0.1kPa～3kPa)(4)吸、呼壓力觸發(fā)靈敏度(PT:-2kPa～+2kPa)(5)呼吸機的工作壓力、氣源壓力。低壓：(60~70)cmH2O，高壓：＞120kPa第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天壓力參數(shù)及壓力觸發(fā)靈敏度觸發(fā)壓力P=PEEP-PT呼吸做功

W=ΔS+SC第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天氣道阻力和順應(yīng)性靜態(tài)氣道阻力

RL=(Ppeak–Pplateau)/flowcmH2O/L/s靜態(tài)順應(yīng)性

CL=VT/(Pplateau–PEEP)L/cmH2O第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天常見通氣模式解析（處方）用呼吸機的目的就是以一種適宜的方式對病人的肺進行有效通氣，既保障病人生命需要，又要盡可能地減少并發(fā)癥，而且還要安全、舒適。重復(fù)進行機械通氣的時間間隔叫機械通氣周期,T。一次吸氣開始到下一次吸氣開始的時間間隔為一個機械通氣周期。一個機械通氣周期又可分解為四個狀態(tài)或四個相，即：呼切換到吸、吸氣相、吸切換到呼和呼氣相。第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天機械通氣的四個相（狀態(tài)）第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第一相——呼氣切換到吸氣基于第一相定義和設(shè)計通氣模式，根據(jù)吸氣初始化條件或人機關(guān)系的不同，可分為：控制模式ControlModeVentilation,CMV/VCV/PCV

輔助控制模式(Assist-ControlMode,A/C)

同步間歇指令通氣(SynchronizedIntermittentMandatoryVentilation,SIMV)第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第一相——呼氣切換到吸氣壓力支持(PressureSupportVentilator,PSV)持續(xù)氣道正壓(ContinuousPositiveAirwayPressure,CPAP)在呼氣切換到吸氣時，如果切換或觸發(fā)的條件是流量就叫流量觸發(fā)，是壓力就叫壓力觸發(fā)，控制通氣可以看作時間觸發(fā)。

第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天容量控制VCVF—t和P—t曲線：VCV設(shè)定定容：VT/MV=？時間：f、Ti、TeTrise、Tp、I:E=?壓力：Pmax=?PT/FT=?

第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天壓力控制PCVF—t和P—t曲線：PCV設(shè)定定壓：Pi-Level=？時間：f、Ti、

Prise、Tp

、I:E=?壓力：Pmax=?PT/FT=?第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天同步間歇指令通氣

SIMVF—t和P—t曲線：VCV/PCV間歇+自主

VT/MV=？

Pi-Level=？時間：f/RR

、Ti、

Trise、Tp、I:E=?壓力：Pmax=?

PT/FT=?fsimv=(0~f)?，f總=fsimv+f自主第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天壓力支持PSVF—t和P—t曲線：半自主通氣模式PSV設(shè)定壓力：Pi-Level=？壓力：Pmax=?PT/FT=?VAPSV?SIMV+PSV?第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天持續(xù)氣道正壓CPAPF—t和P—t曲線：自主通氣模式壓力：PEEP、PT吸/FT吸=?或PT呼/FT呼=?第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第三相——吸氣轉(zhuǎn)換到呼氣

基于第三相定義和設(shè)計通氣模式依據(jù)容量、壓力和時間三個參數(shù)在切換時起作用的主次關(guān)系，其主和次關(guān)系用兩個形容詞周期的(cycled)和限制的(limited)來表示。容量周期(VolumeCycled)也叫定容通氣或容量切換(容量開關(guān))。第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第三相——吸氣轉(zhuǎn)換到呼氣容量限制(VolumeLimited)在設(shè)定的時間內(nèi)達到設(shè)定的潮氣量，吸氣停止(相當于VCV)。時間周期容量限制(TimeCycled,VolumeLimited)按一定流量為病人送氣，時間到，吸氣停，潮氣量大小取決于流量(定時開關(guān)流量)。第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第三相——吸氣轉(zhuǎn)換到呼氣壓力周期(PressureCycled)

也叫壓力切換，當達到設(shè)定的氣道壓力水平(Insp.Press.Level)時，吸氣停止(壓力開關(guān)，漏氣時無法切換)。時間周期壓力限制(TimeCycled,PressureLimited)

按能維持設(shè)定的氣道壓力水平所必需的流速為患者送氣，當達到設(shè)定的吸氣時間時，吸氣停止(相當于PCV)。第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第三相——吸氣轉(zhuǎn)換到呼氣時間限制壓力周期(TimeLimited,PressureCycled)：按設(shè)定的吸氣時間和吸氣流量為患者送氣，當達到設(shè)定的吸氣壓力水平時，吸氣停止（漏氣的時候，為時間切換）?？梢?，在第三相時，如果切換的主要物理參數(shù)是容量、流量、壓力或時間就分別叫容量切換、流量切換、壓力切換或時間切換。第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第二相——吸氣相方波(SquareWaveFlowPattern)

可快速建立起通氣和在有效的時間內(nèi)維持恒定的氣流。加速波(AcceleratingFlowPattern)減速波(DeceleratingFlowPattern)

氣流迅速上升到峰值，緊接著減速。正弦波(SineWaveFlowPattern)

兼加速和減速波通氣的特點。SIGN,潮氣量加倍（延長吸氣時間）。第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第四相——呼氣相

實現(xiàn)PositiveEndExpiratoryPressure,PEEP增加功能殘氣量(FunctionalResidualCapcity,FRC)。對于一些限制性病變(ARDS)，呼末維持一定的正壓有利于肺泡氣體交換，但使用PEEP要慎重，不能隨意增減。電子PEEP、機械PEEP或文丘里PEEP。第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天通氣模式的發(fā)展演化第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天通氣模式的數(shù)學(xué)表達

假設(shè)病人吸氣做功W吸，自己吸到的容量V吸那么：——控制W吸=0時，為控制模式(CMV/IPPV/VCV/PCV)

W吸>0但

V吸=0，輔助控制模式(A/C、病人觸發(fā)的)——輔助100%>W吸>0，100%>V吸>0時，為輔助模式(Assist-Mode)

同步間歇控制：SIMV+CPAP/SIMVVC+PSV/SIMVPC+PSV

吸氣支持：PSV/VAPSV

和VSV/MMV/EMMV——自主W吸=100%，V吸=100%時，為自主模式(Spontaneous，CPAP)第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天通氣模式的轉(zhuǎn)化

第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天呼吸機的質(zhì)量保障——一個需要思考和關(guān)注的問題第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

呼吸機臨床風險根據(jù)“ISO14971醫(yī)用裝置風險管理——第1部分：風險分析應(yīng)用”推薦的方法進行風險分析：呼吸機12分，麻醉機、除顫器、高頻電刀6分，其它醫(yī)療設(shè)備都在6分以下；呼吸機是臨床風險值最高的設(shè)備，其性能穩(wěn)定和參數(shù)可靠與否對病人生死悠關(guān)；性能好、使用好、護理好，對病人生命起支持作用；反之，則影響療效甚至成為殺手。

第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天需要全程質(zhì)量保障以臨床培訓(xùn)為基礎(chǔ)的人員保障：培訓(xùn)醫(yī)、護人員（考核合格、持證上崗）；以使用前例行檢查為基礎(chǔ)的制度保障：建立制度，基本質(zhì)量確認；以性能測試為基礎(chǔ)的質(zhì)量保障：(1-2)月測一次，臨床技師或工程師；以計量檢定校準為基礎(chǔ)的法律保障，由國家授權(quán)建立測量標準，進行量值傳遞或校準，在法律上得到認可，每年一次。第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天呼吸機使用前的例行檢查(OVP)

消除一部分潛在風險？①電源氣源檢查：風險較多、斷氣斷電？②氣密性檢查：內(nèi)、外氣路和插管漏氣？③壓力上限：不準或失靈，機械的？④呼氣分鐘通氣量上、下限:漏氣/自主？⑤窒息報警：脫管、病人沒有呼吸響應(yīng)？⑥觸發(fā)靈敏度：不準或誤觸發(fā)？第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天呼吸機使用前的例行檢查⑦吸氣壓力水平：平穩(wěn)、準確？⑧吸入氧濃度：準確度高于5%，閥、混合器故障、氧電池監(jiān)測？⑨吸、呼流量：準確度優(yōu)于5%、線性好？上述檢查通過后，將濕化器（故障源？影響機械通氣效果）預(yù)設(shè)在（32～37）℃，然后等待或用于病人，急救時可以只進行第①、②步檢查。第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

呼吸機系統(tǒng)故障分布1999年呼吸機主機混合器濕化器壓縮機27%12%36%25%使用問題預(yù)修保養(yǎng)故障修復(fù)更換新品故障修復(fù)使用維護故障修復(fù)使用維護故障修復(fù)6%11%10%2%10%25%11%9%16%第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天加熱濕化器工作原理出氣口進氣口接在吸氣回路對病人吸入的氣體加溫加濕36℃濕化罐內(nèi)放置一個卷曲的鋁筒內(nèi)襯濕化濾紙形成一個溫濕通道接呼氣回路圖-1加熱濕化器應(yīng)用示意圖氣管插管病人遠端Y-型頭第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天加溫、加濕要求到達病人口邊的氣體溫度：