新冠肺炎患者必備救命工具——呼吸機

砰砰砰——砰——滴——

醫(yī)院里心跳監(jiān)測的畫面，陌生而熟悉。陌生的是一種天生的恐懼與距離感，熟悉的是每個人都明白，我們都將定格在那一時刻。

2020 年，注定是不平凡的，這一年全球新冠疫情爆發(fā)，一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭在人類毫無防備之時打響。

根據世界衛(wèi)生組織最新公布的信息，截至 2020 年 6 月 8 日早上 8:36，全球累計確診人數達 6，881，352 例，累計死亡人數達 399，895 例。

WHO 方面表示，大約 14%的感染者需要住院和氧氣支持，而 5%則需要入住 ICU。以中國為例，在新型冠狀病毒肺炎病例中，17%的患者采用了呼吸機進行有創(chuàng)機械通氣治療手段。于是，醫(yī)用呼吸機的需求量激增，在增量面前，有限的存量變得如此可憐。筆者之前有一篇文章重點描述了呼吸機的緊缺程度，若有興趣，可點擊查看《參考設計 | 美國巨頭疫情下開源呼吸機方案》 ，這里不再贅述。而今天除了呼吸機的作用意外，我們更重要的是要來聊一聊呼吸機的發(fā)展歷史和工作原理。

為何呼吸機在救治新冠病人時如此重要？

這是因為感染新型冠狀病毒后，肺部細胞感染加劇，產生大量粘液，充滿肺泡并阻塞分支，減少可用于氣體轉移的表面積，使得可用肺泡不足以支撐患者所需氧量，導致氣體轉移不足、呼吸困難，甚至死亡。

而呼吸機作為一項能人工替代自主通氣功能的有效手段，起到了預防和治療呼吸衰竭，減少并發(fā)癥，挽救及延長病人生命的作用。

既然呼吸機這么重要，那么呼吸機從哪里來，是怎樣工作的？

呼吸機又被形象地稱為通氣機，最早可以追溯到 1555 年和 1667 年，Vesalius 和 Hook 就發(fā)現用向肺中充氣的方法可以維持動物的生命。

1743 年，英國牧師和生理學家 StephenHales 發(fā)明了第一臺“呼吸機”，用于船工和礦工的急救。

1864 年，Alfred Jones 發(fā)明了第一款人體封閉式呼吸機，病人坐在一個盒子里，從脖子到腳都被密封進盒子，通過柱塞來調節(jié)箱內壓力，從而達到輔助呼吸的效果。記載說，這玩意兒對麻痹、神經痛、無力、哮喘、支氣管炎、消化不良和耳聾都有一定的療效。

1926 年，被人稱為“鐵肺”的箱式體外負壓通氣機由 Wilhelm Schwake 發(fā)明，并成功用于因脊髓灰質炎呼吸衰竭而昏迷患者的治療，開創(chuàng)了機械通氣史上一個里程碑。

1940 年，第一臺間歇正壓通氣護麻醉機誕生并在胸外科手術和戰(zhàn)傷的搶救中獲得成功。1946 年，第一臺間歇正壓呼吸機應用于臨床，缺點是有效的潮氣量不能得到很好的保證。

時間軸轉到 20 世紀 50 年代，隨著心臟外科的發(fā)展，越來越多的醫(yī)師認識到機械呼吸的優(yōu)點。1951 年，世界上第一臺容量控制型呼吸機由瑞典研制成功，救治了大量因流行性小兒麻痹引起的呼吸衰竭病人。

從此呼吸機開始真正應用于臨床。

1964 年，Emerson 推出第一臺電控呼吸機，使得呼吸機跨入相對精密的電子時代。

1970 年，氣動呼吸機研制成功，其中傳感器、邏輯元件、放大器和調節(jié)器都采用了射流原理，沒有任何活動部件，但具有與電路相同的效應。

往后，自 20 世紀 80 年代以來，呼吸機進入高速發(fā)展階段，從負壓向正壓，從多功能向智能化發(fā)展。

如今的呼吸機是怎么工作的呢？

呼吸機運行機制是一個模仿人體呼吸的過程，人體呼吸由三個環(huán)節(jié)組成：外呼吸、氣體在血液中的運輸和內呼吸。在呼吸過程中，肺通氣是肺與外界環(huán)境之間的氣體交換過程，動力來自于大氣與肺泡氣之間的壓力差，實現肺通氣的器官主要包括呼吸道、肺泡和胸廓。而呼吸道則是溝通肺泡與外界環(huán)境的氣體通道，同時還具有加濕、加溫、過濾、清潔吸入氣體和引起防御反射等保護功能。

因此呼吸機就是借助機械方法在肺泡和大氣壓之間建立壓力差，實現強制的人工呼吸過程。呼吸機的組成除了氣源、帶有加濕加溫過濾等功能的氣體輸送系統之外，還需要有電子監(jiān)控系統。

是否覺得還很抽象？

下面我們把患者環(huán)路系統工作步驟具體化：

空氣經過吸氣風扇、過濾器、進氣消音器、渦輪壓縮機、出口消音機后進入空氧混合器，與氧氣按照一定比例進行混合形成氣源，氧氣濃度在 21%~100%范圍內可調。對于導管顏色的分配，見下圖：

信息源：kzncpap

呼吸機的觸發(fā)模式分為 3 種：壓力觸發(fā)、流量觸發(fā)和膈肌電觸發(fā)，目前市面上的呼吸機觸發(fā)模式以壓力觸發(fā)和流量觸發(fā)為主。

壓力觸發(fā)或流量觸發(fā)的呼吸機吸氣和呼氣回路構成大致如下：

信息源：CNKI

氣源通過吸氣回路進入肺部，具體來說，氣源會先后經過細菌過濾、吸氣流量傳感器、吸氣閥、吸氣壓力傳感器和濕化器后，通過氣管導管送至肺部。

從肺部呼出的氣體又通過氣管導管，先后經過呼氣壓力傳感器、呼氣閥和呼氣流量傳感器排入大氣中。

如果選擇壓力觸發(fā)模式，那么就需要根據患者自主呼吸的情況，給呼吸機設置適當的壓力觸發(fā)靈敏度值。當壓力傳感器監(jiān)測到患者有吸氣努力，同時呼吸管道內壓力低于設置的壓力觸發(fā)靈敏度值時，將觸發(fā)呼吸機給患者送氣。

如果選擇流量觸發(fā)模式，那么就要細分是呼出末端流量觸發(fā)方式還是近端流量觸發(fā)方式了。近端觸發(fā)方式是將傳感器裝在呼吸管路接頭和患者的氣管插管之間，來檢測患者吸入的氣體流量。其靈敏度較高，受管道漏氣影響較小，但易受管道水氣和雜質干擾，而目前廣泛使用的呼出末端觸發(fā)方式是通過檢測送氣端和呼氣末端的流量差值，獲得觸發(fā)信號。其原理為：呼吸機以恒定的流量將氣體輸送至呼吸管路中，并監(jiān)測送氣端和呼出末端流量間的差值，即患者的吸氣流量?；颊呷粲形鼩馀Γ蜌舛肆髁恐当３趾愣?，而呼氣流量值會下降，當患者的吸氣流量大于流量觸發(fā)靈敏度設定值時，呼吸機被觸發(fā)而輸送一次呼吸。

不難發(fā)現呼吸機組成囊括了多種傳感器，比如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、氧濃度傳感器等，這些傳感器就好比是呼吸機的觸角，將患者的呼吸信號轉換為電生理信號，反饋給呼吸機控制大腦，隨后大腦給電子控制系統發(fā)出指令，按照適當的頻率及潮氣量完成通氣功能（一般呼吸頻率為 6～20 次 / min ，要視病情需要適當調節(jié)；潮氣量再 100～1200ml 范圍內可調）。

那么傳感器是如何工作的呢？

以壓阻式壓力傳感器和壓差式流量傳感器為例。

壓阻式壓力傳感器：

壓阻式壓力傳感器內部集成了薄膜電阻惠斯通電橋電路，當沒有壓力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出；當受到壓力作用時，電橋失去平衡而輸出電壓，且輸出的電壓值與壓力成比例，由此推算出所測壓力值。

圖 | 惠斯通電橋示意圖

壓差式流量傳感器：

氣體流過傳感器內部有一個薄膜片，氣流可雙向流過薄片的孔口，孔口大小隨著氣流速率改變，當流量增加時，它會步進式地打開，并在孔口里外產生壓差。而呼吸機內的壓差傳感器會檢測這一壓差，并且壓差隨著流量線性地變化，依據貝努利定律和質量守恒原理可換算出流量。

圖 | 壓差式流量傳感器原理示意圖

以上是目前呼吸機的傳統工作模式，未來隨著生物電檢測技術的發(fā)展，將電極放置患者食道內，監(jiān)測呼吸中樞吸氣和呼氣時間以及呼吸努力程度的膈肌電觸發(fā)模式也許會成為主流。