工程师对机械通风的介绍

在本文中，我们将用控制系统、传感器和微控制器的术语来研究通风机的基本操作。然后，我们将更详细地检查基本呼吸机的框图。请注意，本文旨在从高水平探讨呼吸机的设计，并不代表对呼吸机使用和操作的医学解释。

什么是通风机?

通风机是一种控制系统，其输出是具有一定规格的富氧空气流。机械呼吸机是在手术或因重病不能自主呼吸的情况下帮助病人呼吸的机器。

呼吸机是相对复杂的系统，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。

通风机的基本操作

一个典型的通风机系统由三个主要子系统组成:

• “吸气气流输送系统”负责产生和控制进入患者肺部的富氧空气。
• 为呼气提供适当路径的“呼气路径”。
• 采用单片机(MCU)根据不同传感器的信息和临床医生指定的参数来控制整个系统的运行。

您可以看到图1中所示的呼吸机的基本操作。

图1。基本正压通风机操作

如图所示，呼吸机连接到压缩源的空气和氧气。使用这些气体供应，吸气路径产生富含氧气的流动。交付空气的几个参数 - 例如其压力，体积，流量和氧气百分比 - 感兴趣，应由呼吸机控制。

正压呼吸器和负压呼吸器

图1中描绘的呼吸机通常被称为正压呼吸机，因为它适用于大于大气压（正压）的压力的吸气空气，以将空气推入患者的气道中。

相反，负压呼吸机通过在患者胸部周围产生负压来产生吸气气流。负压通风机有几个局限性现在不常见了。

的操作模式

通风机有不同的操作模式，如容积控制通风，压力控制通风等。根据所选择的操作模式，呼吸机应该能够提供与某些预定的所需波形一致的压力、体积或流量波形。

例如，图2示出了用于压力控制操作模式的压力和流量波形，其中呼吸机将患者的气道压力保持在给定水平的给定水平的整个灵感。应该注意的是，在实践中，由于不同的系统非理想和噪声来源，系统可能无法完全遵循这些所需的波形。

图2。描述通过通风机的空气压力和流量的波形

上图所示的示例波形对应于呼吸机独立于患者的呼吸反应操作的相对简单的操作模式。实际上，我们需要更复杂的呼吸机和患者之间的相互作用。

如果患者启动呼吸，复杂的呼吸机将能够通过这种变化同步其操作。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。这些可以是复杂的呼吸机和更简单的呼吸机之间的一些关键差异。

通风机框图

基本呼吸机的框图如图3所示。

图3。通风机的框图

吸气气流输送系统

图3中的绿色块对应于图1中的“吸气流输送系统”。该路径连接到调节的空气和氧气来源。呼吸机可能具有内部调节剂（如图3所示）。这些内部调节器用于将空气和氧气源提供的气体压力降低到适合于呼吸机的较低水平。

如图3所示，空气和氧气源连接到阀门和流动传感器。MCU监视流量传感器的输出并相应地控制阀门。以这种方式，呼吸机产生具有特定氧浓度的富含氧气的空气，并将其传导到“罐”中。在灵感期间，呼吸机打开“灵感阀”并关闭“到期阀”。以患者接收与所需预定波形一致的呼吸来控制“灵感阀”。

如您所见，关键因素是调整阀门，使不同的系统参数(如氧气浓度、流量和压力)满足规格要求。为了实现这一点，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

在呼气时，通风机打开“呼气阀”，关闭“吸气阀”。呼出的空气通过“流量传感器”和“呼气末正压调节机制”，其中呼气末正压表示呼气末正压。流量传感器的输出由单片机监控，以实现上文讨论的复杂的呼吸机-患者交互。

呼气末正压是呼气末肺部存在的正压(“正”的意思是压力大于大气压)。在图2所示的示例波形中，到期时的压力为零(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(非零呼气末正压)。这样可以防止病人的肺衰竭。

有几种方法来创建非零窥视。有效的技术只是将电子控制阀放置在呼气路径中。这种动态电阻部分遮挡了呼出空气的路径，使得气道压力保持在所需的水平。图4显示了这种阀的结构。

图4。一个电控阀门的例子。图片由亚历克斯Yartsev

传感器

除了我们到目前为止讨论过的模块外，呼吸机还需要一些其他设备。一个压力传感器和一个CO₂传感器需要监测气道，并为患者提供复杂的输出波形和特征。

此外，由于压缩气源的水分被去除，我们需要一个加湿器来增加输送给患者的富氧空气中的水分(加湿器在我们的框图中没有显示)。

此外，呼吸机应具有图形显示，以显示适当的设置，测量，计算和报警。

结论

机械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。

根据所选择的操作模式，呼吸机应该能够提供与某些预定的所需波形一致的压力、体积或流量波形。因此，通风机是一种控制系统，其输出是具有一定规格的富氧空气流。

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