一位工程师对机械通风的介绍

在本文中，我们将检查控制系统，传感器和微控制器术语中呼吸机的基本操作。然后，我们将更详细地检查基本通风机的框图。请注意，本文旨在探索从高水平的呼吸机设计，并不代表呼吸机使用和操作的医疗说明。beplay体育下载不了

什么是呼吸机?

呼吸机是一种控制系统，输出是具有一定规格的富含氧气的流动。机械呼吸机是一种机器，可帮助患者在手术期间或由于危重疾病而无法自行呼吸的情况。

通风机是一个相对复杂的系统，它使用几个阀门和传感器以及一个处理单元来实现所需的控制算法。

呼吸机的基本操作

典型的呼吸机系统由三个主要的子系统组成：

• “吸气流量输送系统”负责产生和操纵送入患者肺部的富氧空气。
• 为呼气提供适当路径的“呼气路径”。
• 微控制器（MCU）用于基于从不同传感器获得的信息和临床医生指定的参数来控制整个系统的操作。

如图1所示，您可以看到呼吸机的基本操作。

图1所示。基本正压通气操作

如图所示，通风机连接压缩源的空气和氧气。利用这些气体供应，吸气路径产生富氧空气流。输送空气的几个参数，如压力、体积、流量和含氧量百分比，都是值得关注的，应该由呼吸机控制。

正压与负压呼吸器

图1所示的呼吸机通常被称为正压呼吸机，因为它使用大于大气压力(正压)的吸气空气来推动空气进入患者的气道。

相反，负压呼吸机通过在病人胸部周围产生负压来产生吸气流量。负压通风器有几个局限性现在不常见了。

操作模式

通风设备有不同的操作方式，如容量控制通风、压力控制通风等。根据所选择的操作模式，呼吸机应该能够通过与一些预定义的所需波形一致的压力，体积或流波形提供吸气空气。

例如，图2显示了压力控制操作模式下的压力和流量波形，在该模式下，呼吸机使患者的气道压力在整个吸气过程中保持在给定的水平。应该注意的是，在实践中，由于不同的系统非理想性和噪声源，系统可能不能完美地遵循这些期望的波形。

图2。用于描述通过呼吸机的压力和空气流动的波形

上图所示的示例波形对应于一种相对简单的操作模式，其中呼吸机的操作独立于患者的呼吸反应。在现实中，我们需要在呼吸机和病人之间进行更复杂的互动。

一旦病人开始呼吸，一台先进的呼吸机就能同步进行操作。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控制回路。这些可能是复杂的呼吸机和简单的呼吸机之间的一些关键区别。

呼吸机的框图

基本通风机的框图如图3所示。

图3。通风机的框图

吸气流量输送系统

图3中的绿色方块对应图1中的“吸气流量输送系统”。这条通道连接到受调节的空气和氧气来源。通风机也可以有内部调节器(图3中未显示)。这些内部调节器用于降低空气和氧气源提供的气体压力到适合通风机的较低水平。

如图3所示，空气和氧气源连接到阀门和流量传感器。单片机监控流量传感器的输出，并相应地控制阀门。通过这种方式，通风机产生具有特定氧气浓度的富氧空气，并将其输送到“容器”。吸气时，呼吸机打开“吸气阀”，关闭“呼气阀”。“吸气阀”以一种方式控制，使患者接受与预期预定波形一致的呼吸。

如您所见，关键因素正在调节阀门，使不同的系统参数（例如氧气浓度，流量和压力）满足规格。为实现这一目标，我们可以采用控制器设计策略，如proportional-integral-derivative（PID）控制技术。图3显示了用于调节空气和氧气阀的控制回路。

呼气路径

在到期期间，呼吸机打开“到期阀”并关闭“灵感阀”。呼出的空气通过“流量传感器”和“窥视调节机构”，其中PEEP代表正端呼气压力。流量传感器的输出由MCU监测，以实现上面讨论的复杂的呼吸机患者相互作用。

PEEP是呼气结束时存在于肺部的正压(正的意思是压力大于大气压力)。在图2所示的波形示例中，到期结束时的压力为零(PEEP为零);然而，我们有时更喜欢在呼气时保持气道压力高于大气水平(非零PEEP)。这可以防止病人的肺衰竭。

有几种方法可以创建非零的PEEP。一种有效的技术是简单地在呼气路径中放置一个电子控制的阀门。这种动态阻力部分阻塞呼出空气的路径，使气道压力保持在所需的水平。图4显示了这种阀门的结构。

图4。一个电子控制阀门的例子。图片由Alex Yartsev.

传感器

除了我们到目前为止讨论的块外，呼吸机需要其他一些设备。压力传感器和CO₂传感器需要监控气道，并为患者提供复杂的输出波形和特征。

此外，由于除去压缩气体源的水分，我们需要加湿器以向递送到患者的富氧空气（预加湿器在我们的框图中显示）添加水分。

此外，呼吸机应该有一个图形显示，显示适当的设置，测量，计算和警报。

结论

机械通风机是一种相对复杂的系统，该系统采用多个阀和传感器以及处理单元来实现所需的控制算法。

根据所选择的操作模式，呼吸机应该能够通过与一些预定义的所需波形一致的压力，体积或流波形提供吸气空气。因此，呼吸机是一种控制系统，其中输出是具有某些规格的富氧空气的流动。

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