呼吸机的基本原理与人工通气的发展史

1呼吸機的基本原理與人工通氣的發展史呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241機械通氣發展史呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241機械通氣是治療呼吸衰竭的重要手段之一，已有近600年的歷史，早在15世紀，人們開始在動物身上施行氣管切開、氣管插管及風箱式正壓通氣技術。200年後的1792年首次在人身上實行了有創正壓機械通氣。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241因當初的技術過於粗糙，相關設備也很簡陋，經過一段時間的臨床應用後，許多患者因氣胸等嚴重併發症而死亡。到了1827年有學者向法國科學院提交報告要求終止進行有創正壓通氣。

呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241面對這種局面，機械通氣的研究在二個方面繼續展開：一是改進人工氣道技術，二是尋找其他途徑，避免建立人工氣道。前者的探索與19世紀的麻醉學技術的發展密不可分，而後者則促進了“鐵肺”等體外負壓通氣技術的發展。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/202411929年JAMA雜誌上刊登了有關應用“鐵肺”成功搶救一例脊髓灰質炎女孩的論文，引起了很大的轟動。其後因體外負壓通氣的種種弊端在應用過程中逐漸暴露出來，故而到了20世紀50年代以後，“鐵肺”逐漸讓位於技術得到很大改進的有創正壓通氣技術。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241鐵肺呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241

20世紀初，隨著人工氣道技術和喉鏡直視氣管插管技術的成熟，正壓機械通氣在麻醉和外科領域得以迅速發展。1940年，第一臺間歇正壓通氣（IPPV）麻醉呼吸機被發明，用於胸科手術和ARDS。1946年，Bennet公司研製出世界第一臺初具現代呼吸機基本結構的間歇正壓呼吸機PR-1A（氣動氣控壓力限制型）。現代呼吸機的起源與發展呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241近年來，隨著電子電腦技術、傳感技術的飛速發展和對呼吸力學認識的不斷深入，機械通氣理論和技術都有了很大的發展，對急性呼吸窘迫綜合征、重症哮喘和慢阻肺呼衰等常見病的機械通氣治療策略都較以前有了很大的變化。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241如有創通氣中的小潮氣量通氣、根據P-V曲線選擇最適PEEP、開方肺策略、俯臥位通氣，以及無創通氣中應用的雙水準氣道正壓通氣、成比例輔助通氣等，開創了機械通氣救治的嶄新局面。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241機械通氣的發展歷程口對口人工呼吸1800年前，金匱要略、華佗醫方中有類似體外按壓人工呼吸的記載1300年前，聖經上有“口對口”描述

無創正壓機械通氣有創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。負壓機械通氣無創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’讓位於技術上得到很大改進的有創無創呼吸機多功能呼吸機1981年Sullivan無創口鼻面罩。人工智慧呼吸機人工智慧無創呼吸機並存時代呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241回顧正壓機械通氣60多年的發展歷史，我們認為它較好地體現了臨床醫學與電子技術、機械工程相互交叉和滲透，彼此促進和提高的一個發展過程，是“醫學科學與工程技術完美結合”的典範（BME）。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241呼吸機的組成

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

—床邊壓縮機(渦輪機)+O2氣源

—中心氣源(Air、O2)(2.5~5.5)kg/cm2

呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241呼吸機的構成及工作原理呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241呼吸機各部分主要功能主機——氣源處理、吸呼控制、監測報警混合器——外置或內置機械式，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呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241空氧配比方式

機械配比電子配比呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241有創正壓通氣的人機系統工程輸入主機的氣體為高壓，要求乾燥、潔淨；輸出給病人的混合氣體為低壓，要求溫暖、濕潤並達到有效的肺泡通氣量。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241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，穩壓，送到吸氣閥；③在吸氣相按約定通氣模式和參數向病人送氣；④同時監控參數、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，進入下一個呼吸週期（下一個吸氣相的開始）。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241基本原理示意圖呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241通氣控制流程空氣、氧氣配比混合(乾燥的氣體)；細菌過濾（減少感染）；降至低壓、穩定壓力、緩存一定量氣體；吸氣回路PID控制（實現各種通氣模式）；經濕化器加溫、加濕（霧化）到病人；呼氣回路PID控制（實現PEEP等），呼出氣體排到大氣中。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241呼吸機的分類

目前沒有統一分類標準，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；按人機介面方式

有創或無創正壓通氣呼吸機；按機器的功能

急救、麻醉、治療、家用、高頻振盪、噴射。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241通氣模式的定義及特點——臨床常用的基本通氣模式呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241機械通氣吸、呼切換狀態分析兩個“開始、轉換或切換”兩個“相或過程內含保持”呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241正壓通氣和生理性呼吸的區別與聯繫呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241主要物理量和參數時間量及參數氣體流量及參數氣道壓力及參數溫度、濕度參數注意：需要非常清楚地瞭解各參數的物理涵義及其作用或影響。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241時間參數及其符號(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，通常設定為T的10%，臨床根據病情和呼吸習慣適當增加或減少。週期：T=Ti+Te，f=60s/(Ti+Te)bpm呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241容量和流量參數及其符號(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)，是一個動態參數，峰值流速Fpeak：影響吸呼比和吸氣波形(4)歎氣/深吸氣Sign：1.5或2倍的VT/100次(5)流量觸發靈敏度(FT，L/min)，包括吸氣和呼氣觸發靈敏度（需高速動態閥）呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241吸氣流量觸發靈敏度呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241壓力參數及其符號(1)氣道壓力(AirwayPressure，Pair/Plung不一致)是一個動態物理參數，波形、光柱：

Ppeak,Pplateau,Pmean（cmH2O或kPa）(2)吸氣壓力水準(Pi-Level：0～10kPa)？(3)呼氣末正壓(PEEP：0.1kPa～3kPa)(4)吸、呼壓力觸發靈敏度(PT:-2kPa～+2kPa)(5)呼吸機的工作壓力、氣源壓力。低壓：(60~70)cmH2O，高壓：＞120kPa呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241壓力參數及壓力觸發靈敏度觸發壓力P=PEEP-PT呼吸做功W=ΔS+SC呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241氣道阻力和順應性靜態氣道阻力

RL=(Ppeak–Pplateau)/flowcmH2O/L/s靜態順應性

CL=VT/(Pplateau–PEEP)L/cmH2O呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241氣道內氣流類型呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241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，又要盡可能地減少併發症，而且還要安全、舒適。重複進行機械通氣的時間間隔叫機械通氣週期,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週期。一個機械通氣週期又可分解為四個狀態或四個相，即：呼切換到吸、吸氣相、吸切換到呼和呼氣相。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241機械通氣的四個相（狀態）呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241第一相——呼氣切換到吸氣基於第一相定義和設計通氣模式，根據吸氣初始化條件或人機關系的不同，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)呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241第一相——呼氣切換到吸氣壓力支持(PressureSupportVentilator,PSV)持續氣道正壓(ContinuousPositiveAirwayPressure,CPAP)注：在呼氣切換到吸氣時，如果切換或觸發的條件是流量就叫流量觸發，是壓力就叫壓力觸發，控制通氣可以看作時間觸發。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241容量控制VCVF—t和P—t曲線：VCV設定定容：VT/MV=？時間：f、Ti、TeTrise、Tp、I:E=?壓力：Pmax=?PT/FT=?

呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241壓力控制PCVF—t和P—t曲線：PCV設定定壓：Pi-Level=？時間：f、Ti、

Prise、Tp

、I:E=?壓力：Pmax=?PT/FT=?呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241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自主呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241壓力支持PSVF—t和P—t曲線：半自主通氣模式PSV設定壓力：Pi-Level=？壓力：Pmax=?PT/FT=?VAPSV?SIMV+PSV?呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241持續氣道正壓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=?呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241五種基本正壓通氣模式的氣道壓力、流量、容量曲線呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241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）。

呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241第三相——吸氣轉換到呼氣

基於第三相定義和設計通氣模式依據容量、壓力和時間三個參數在切換時起作用的主次關係，其主和次關係用兩個形容詞週期的(cycled)和限制的(limited)來表示。容量週期(VolumeCycled)

也叫定容通氣或容量切換(容量開關)。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241第三相——吸氣轉換到呼氣容量限制(VolumeLimited)在設定的時間內達到設定的潮氣量，吸氣停止(相當於VCV)。時間週期容量限制(TimeCycled,VolumeLimited)

按一定流量為病人送氣，時間到，吸氣停，潮氣量大小取決於流量(定時開關流量)。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241第三相——吸氣轉換到呼氣壓力週期(PressureCycled)

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

按能維持設定的氣道壓力水準所必需的流速為患者送氣，當達到設定的吸氣時間時，吸氣停止(相當於PCV)。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241第三相——吸氣轉換到呼氣時間限制壓力週期(TimeLimited,PressureCycled)

：按設定的吸氣時間和吸氣流量為患者送氣，當達到設定的吸氣壓力水準時，吸氣停止（漏氣的時候，為時間切換）。可見，在第三相時，如果切換的主要物理參數是容量、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。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241第四相——呼氣相

實現PositiveEndExpiratoryPressure,PEEP增加功能殘氣量(FunctionalResidualCapcity,FRC)。對於一些限制性病變(ARDS)，呼末維持一定的正壓有利於肺泡氣體交換，但使用PEEP要慎重。電子PEEP、機械PEEP或文丘裏PEEP。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241與PEEP有關的各種氣道壓力改變呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241通氣模式的發展演化呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241通氣模式的數學表達

假設病人吸氣做功W吸，自己吸到的容量V吸那麼：——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)呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241通氣模式的轉化

呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241呼吸機的品質保障——一個需要思考和關注的問題呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241需要全程品質保障以臨床培訓為基礎的人員保障：培訓醫、護人員（考核合格、持證上崗）；以使用前例行檢查為基礎的制度保障：建立制度，基本品質確認；以性能測試為基礎的品質保障：(1-2)月測一次，臨床技師或工程師；以計量檢定校準為基礎的法律保障，由國家授權建立測量標準，進行量值傳遞或校準，在法律上得到認可，每年一次。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241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、外氣路和插管漏氣？③壓力上限：不准或失靈，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、病人沒有呼吸回應？⑥觸發靈敏度：不准或誤觸發？呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241呼吸機使用前的例行檢查⑦吸氣壓力水準：平穩、準確？⑧吸入氧濃度：準確度高於5%，閥、混合器故障、氧電池監測？⑨吸、呼流量：準確度優於5%、線性好？注：上述檢查通過後，將濕化器（故障源？影響機械通氣效果）預設在（32～37）℃，然後等待或用於病人，急救時可以只進行第①、②步檢查。呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241

呼吸機系統故障分佈1999年呼吸機主機混合器濕化器壓縮機27%12%36%25%使用問題預修保養故障修復更換新品故障修復使用維護故障修復使用維護故障修復6%11%10%2%10%25%11%9%16%呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241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℃濕化罐內放置一個捲曲的鋁筒內襯濕化濾紙形成一個溫濕通道接呼氣回路加熱濕化器應用示意圖

氣管插管病人遠端Y-型頭呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241加溫、加濕要求到達病人口邊的氣體溫度：

31℃≤T≤37℃,連續可調吸入氣體的絕對濕度：

HA≥30mg.L-1呼吸机的基本原理与人工通气的发展史5/8/20241濕化器常見使用問題濕化罐要接在吸氣回路上，進氣和出氣口不能接反；注意觀察罐內液面高度，要加注蒸餾水，不能加注生理鹽水；溫度感測器接到Y頭的吸氣