呼吸机进展和应用

通气机(呼吸机)进展和应用

摘要:本文回顧了呼吸机的进展过程, 随着社会综合科技的进步, 呼吸机的设计原理、传感器、微处理器不断更新, 使呼吸机有了飛跃的进步. 不断创新了新的模式和功能. 使呼吸衰竭死亡率有明显降低, 住ICU时间缩短，医疗费用下降。 关键词：呼吸机, 模式, 闭环控制 1. 引言

机械通气是治疗呼吸衰竭主要手段之一. 巳被各临床科室广泛应用，对呼吸功能障碍进行通气支持或呼吸治疗. 呼吸机是个仿生学的医疗设备， 它的发展与当时综合科技密切相关.

早在1792年巳首次在人身上使用了有创正压通气, 因技术设备均粗糙, 许多病人死于气胸等严重併发症. 至1827年有学者向法国科学院要求终止这种治疗. 迫使机械通气向改进人工气道技术和寻找其他途径来发展. 导致了”铁肺”体外负压技术的发展

1929年JAMA杂志报道了”铁肺”成功搶救一例脊髓灰质炎女孩的论文1, 引起轰动. 但因当时对呼吸理认识肤浅, 血气分析尚局限于生理/生化教研组教学之用, 加上“铁肺”本身缺陷. 机械通气尚未能在临床普及应用. 2. 呼吸机的进展

1952年丹麦哥本哈根流行脊髓灰质炎, 因呼吸中枢影响肺的通气导致了应用呼吸机的大普及, 同时也促使了血气/血pH分析由化学分析法(一小时)跨越电化学法(3分钟), 这两者相辅相成, 促进了呼吸机进一步发展. 呼吸机和血气设备至今仍为北欧国家名牌产品之一.

上世纪50年代这一时期产品，工作原理是开环控制(Open loop control),由简单机械结构来形成吸气或呼气, 仅有最基本的参数可调, 以压力-限制为基础附有可调高压流量孔来控制输送给病人的吸气流量, 经吸气活瓣达到预置气道峰压水平时即切断气流切換为呼气. 通气频率是由恒定吸气流速和达到峰压所需时间来决定. 用这种通气机, 肺顺应性的变化会引起严重紊乱, 因此需设置较高气道峰压易引起气压伤, 另调整呼吸机耗时致多, 操作人员需具有紮实的肺功能基初.

上世纪60年代因晶体管, 电子元件和传感器发展, 形成了闭环控制(Close loop control)反馈系统, 可根据一个或多个输入信息同时控制一个或多个输出量. 这时期的代表产品有Bennett公司MA-1,MA-2型, Bear公司2,3型呼吸机.

至70年代初期,西门子公司3应用微机来控制呼、吸活瓣, 这些伺服-控制活瓣是压

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力控制、时间切換工作方式发展的关键, 以西门子产品Servo 900C呼吸机为代表.

上世纪80年代微电脑和集成电路的应用于呼吸机，使闭环控制设计使呼吸机的控制系统可同时控制多个变量. 巳全面负责气体释放、参数监测、用户界面控制和网络化. 其代表产品如PB 7200系列创新设计比例电磁阀(PSOL), PSOL的作用1) 对吸气流速的控制更为快捷准确, 2) 不同潮气量，压力，呼吸频率，流速波形下通过分别控制氧、空气比例电磁阀来调节氧浓度, 3) 结合三个流量传感器，发明了可调的基础流速(Flow-by)流量触发，减少病人吸气做功. 使流量触发成为最基本的要求, 随着专利保护的到期. 现Siemens Servo300, Draeger Evita 4等呼吸机均采用, 且PSOL巳成为评判呼吸机性能主要特征之一.

上世纪90年代至今隨着微电脑作为控制核心, 软件程序作为控制指令, 日益精良的传感器为临床提供了高性能通气机. 临床对通气安全、通气效率问题更为关注. 传统的通气模式得到广泛应用外，更关注保持病人的自主呼吸, 如在压力控制阶段维持自主呼吸；呼吸机工作参数随病人实时肺顺应性和阻力自动进行调整. 此外更关注呼吸机对病人的呼吸努力作出响应的速度及对压力、流速的有效控制. 这就涉及呼气阀的改进， 由被动的辅助装置来配合吸气阀打开和关闭， 改进为由微电脑按反馈的信息及控制软件主动对呼气阀指令开启和关闭（即主动呼气阀）. 其代表产品如PB-840, Draeger- Evita 4和XL, Hamilton- Galileo, Maquet- Servo i. 3. 机械通气模式进展

如上所述，随着微电子技术迅速发展，和医务人员对呼吸生理学认识的提高，机械通气也日臻完善，新技术、新模式不断涌现. 机械通气的控制原理有早期的开环控制(open loop control)逐步改为闭环控制(closed loop control). 简单的即根据一个输入信息来控制一个输出变量，如定容型通气(VCV)和定压型通气(PCV)；复杂的是根据多个输入信息同时控制多个输出变量，如双水平正压通气(BIPAP)、双重控制型通气(Dual Mode)等. 近年来各厂家推出的多种新通气模式，其核心是保留和扶持患者的自主呼吸-“部分通气支持策略”, 即机械通气时, 呼吸机给予患者从0~100％通气支持, 如成比例辅助通气(PAV+/PPS).。根据闭环控制输出变量的多少，可将这些新技术、新模式分为以下几类：

3.1.双水平气道正压通气及衍生模式

1988年，Benzer与Baum报道了双水平气道正压通气(biphasic positive airway

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pressure, BIPAP)。BIPAP是定压型通气(PCV)与自主呼吸的结合，患者可在高、低二个不同气道压水平上自主呼吸，其相应的通气参数为高气道压(Phigh)、低气道压(Plow)、高压持续时间(Thigh)和低压持续时间(Tlow)，每个参数均可独立调节(图1)。气道压力释放通气(APRV)与BIPAP非常相似，也属于压力限制、时间切换型通气(图2)。APRV的通气目标是限制气道峰压，减少气压伤和心血管受损，改善氧合 [2]。

图1. BIPAP通气波形 图2. APRV通气波形

上世纪90年代中期相继推出第二代BIPAP模式：BiLevel和DuoPAP，允许患者在高、低压水平上的自主呼吸均可得到PS的辅助，但前提条件是低压时的PS≥高-低压的差数，在高压时的PS=PS＋Plow ≯ Phigh＋1.5cmH2O；此时患者在Thigh相内的自主呼吸就可得到一定的PS辅助[PSset-( Phigh-Plow)](图3) 因而BiLevel/DuoPAP的人-机协调性较BIPAP更佳.

. 图3. Bi-LEVEL/DuoPAP的通气波形

本世纪初又推出第三代BIPAP模式—智能正压通气(smart positive airway pressure, SPAP)。SPAP时在高、低气道压水平上均可单独设置PSV，使肺泡在二个不同压力水平上所开放程度提供不同的PS辅助. 3.2. 双重控制通气(Dual Mode)

双重控制通气(Dual Mode)并非日常所使用模式如A/C, SIMV,SPONT等.是呼吸机工

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作方式或新的功能,即 VCV(容积控制通气)和PCV(压力控制通气)的相结合的方式,兼有两者的优点. 此类通气是在呼吸机内建立起自动反馈功能，根据病人的呼吸力学和吸气力发生不断变化，呼吸机对通气压力和容积进行同步控制以达到预定的目标潮气量，改善人-机协调性。根据闭环控制输出变量的多少各厂方推出多种”新通气模式”, 各自使用不同的”新”名称(图4)、其闭环控制运算、工作过程和具体设置均有所差异.

PRVC PSV VAPS VV+ (VC+/VS) VTPC/VTPS Pressure Augmentation MMV Auto Mode AutoFlow VS

图4.Dual Mode的各种名称

根据各厂所设计的原理和软件程序不同，又可分为以下二类： 3.2.1. 对一次通气内的双重控制：

典型代表有容积保障压力支持(VAPS)和压力扩增(PA) 其目的是保证最小潮气量和分钟通气量前提下减少病人呼吸作功. VAPS/PA以VCV为基础, 吸气容积的完成除呼吸机提供一恒流速外, 呼吸机另有按病人需要启动另一流速系统以便根据预设的气道压力提供PS. 即将VCV恒定流速(方波)和PSV中高起始流速(递减波)相结合, 也即是VCV与PSV的结合(图5). 以保证潮气量的稳定和人机协调.

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