呼吸机工作原理及波形分析

呼吸机工作原理正常人的呼吸是由呼吸中枢支配呼吸肌有节奏地张弛，造成肺内压力变化来完成的。当肺内压力大于外部大气压时，便呼气；当肺内压力低于外部大气压时，便吸气。吸入的气体与血液中的气体进行交换，结合氧气，排出二氧化碳，进而血液中被结合的氧气又与组织中气体进行交换，这就是呼吸的完整过程。在通常情况下，正常人主要通过自己的呼吸摄取空气中的氧气来满足各器官组织的氧化代谢需要。如果呼吸系统受到损伤，如药物中毒、溺水、休克，或由于其它生理功能的紊乱引起呼吸衰竭，单靠病人不健全的呼吸功能已不能够或根本不能满足各器官对氧气的需求，这时就需要借助呼吸机对病人进行抢救治疗。利用呼吸机，可帮助病人提高肺通气量，以解除病人缺氧和二氧化碳在病人体内的滞留，改善病人的换气功能。由此可见，呼吸机是可以代替人的呼吸功能或辅助人的呼吸功能的仪器。它适用于呼吸衰竭、甚至停止呼吸的病人做人工呼吸之用。它能帮助病人纠正缺氧和排出二氧化碳，是挽救某些危重病人生命的重要工具。呼吸机是利用不同的压力进行工作的仪器。因此，下面介绍一下正、负压呼吸原理及使用呼吸机必须知道的几个概念。（一）负压呼吸原理这种呼吸机向病人提供的是负压通气，所以被称作负压呼吸机。它的工作原理是把病人放在一个压力可以减小的密闭容器内，只把病人的头部露在外面。然后对这个容器进行抽空，使其内部产生负压。这个负压传递到胸廓内的空间，使胸部和肺组织容积由于受到压差的作用而增大。这样，在气道内就产生一个压力递减度。这时，大气中的空气就会通过露在外面的鼻和口腔，沿着气道内的压力递减度进到肺腔内。当达到一定量时，使这个密闭容器内的压力恢复到大气压。这时，胸廓和肺组织就会向反方向恢复它原来的形状，同时也将进入到肺内的空气排到体外。这种呼吸尽管比较符合生理特点，但由于操作及对各种呼吸参数不易掌握，目前已不再使用。这种呼吸机叫做体外通气机，有时也被称作铁肺。（二）正压呼吸原理正压呼吸机是利用增加气道内压力的方法将空气送入肺内，肺内的压力增大使肺腔扩张。当压力失去后，由于肺腔组织的弹性，将肺恢复到原来的形状，而使经过交换的一部分空气呼出体外。目前，大部分呼吸机都是利用这种增加气道内压力的方法给病人送气的。（三）呼气相和吸气相的切换形式不同种类的呼吸机，其吸气相和呼气相的转换方式也有所不同。目前呼吸机呼吸相的切换主要有以下四种形式：1、时间切换负压呼吸机采用的是时间切换。现代的时间切换呼吸机都是采用电子仪器进行控制，利用各种无稳态多谐振荡器确定呼吸的周期或频率以及呼吸比。这些电子电路用以启动调节电机或空气流量电磁阀。这种气体切换形式是先预置某一吸气时间，当吸气时间达到预置值时，呼吸机自动将吸气相转变为呼气相。它的特点是当吸气时间固定后，当病人的顺应性、气道阻力发生变化时，吸气压力、容积以及流速都要发生相应的变化。2、容量切换呼吸的周期运动是由送给病人的空气容量所决定的，只有当送给病人的空气容量达到预置值时，呼吸机才进行切换工作，由吸气相转换为呼气相。它配备有压力释放阀，在向病人送入空气的过程中，如果压力超过了预置值时，不管所送给病人的空气容量够与不够，只要压力释放阀工作，机器就自动地将吸气相转换为呼气相，以避免对病人造成严重损伤。这种切换形式的优点是能保持稳定的通气量。3、压力切换这种切换形式是送给病人体内的空气压力超过预置值时，呼吸机便将此时的吸气相切换成呼气相。因压力是预先设定好的，当病人的顺应性、气道压力发生变化时，潮气量将随之发生变化。它的特点是不能保持稳定的潮气量。4、流量切换流量切换是吸气时气体流速的波形随时间的变化而变化。当流速达到预置值时，机器自动地将吸气相转换为呼气相。以上四种切换形式中，最基本的是压力切换和容量切换。但对于功能齐全的呼吸机，上面的四种切换形式都应该具备，以满足不同的临床要求。（四）呼吸模式所谓呼吸模式，是指呼吸机以什么样的方式向病人进行送气，来达到最好的通气治疗效果。1、强制性通气（CMV）强制性通气是在病人没有任何呼吸能力时，才采用的通气方式。呼吸机将会按照医生所设置的潮气量、呼吸频率、吸呼比以及气体流量等，将正压气体输送给病人。它提供给病人的呼吸曲线如图3-1-1所示。图3-1-1中，P0是呼吸机在设定潮气量、呼吸频率、吸呼比、气体流速后，送给病人的吸气压力；Pa为消耗在气道阻力的压力；Pb为消耗在弹性阻力的压力；t1为呼吸机的注气时间；t2为吸气末正压时间，叫做平原期。它在临床上的实际意义是：当呼吸机给病人按照预先给定的量进行送气停止后的一段时间内，呼气阀不立即打开，而是继续保持关闭状态，使吸入的气体在病人肺内停留，同时维持气道内正压的继续存在。其目的主要是改善气体在肺内的分布，促进肺泡中氧向血液弥散，减少无效腔通气。如果吸气末正压时间过长，会使平均气道内压增加，加重心脏循环负担。所以，t2最长不应超过呼吸周期的20%。t3为呼气时间。它取决于所设定的吸呼比；t为呼吸周期。T的倒数f为呼吸频率。2、强制性深呼吸（CMV+SIGH）这种呼吸一般是经过30～40次呼吸之后加入一个深吸气过程。深呼吸时的波形如图3-1-2所示。图中右边这个波形就是经过几十次呼吸后，呼吸机产生一个深呼吸通气，其通气量约为正常通气量的2倍。此过程用以解除病人长时间的通气而产生的疲劳。3、辅助强制性通气（Assised+CMV）在辅助强制性呼吸过程中，病人可以自己引发一个机械性通气。病人只需要有一点小的呼吸，就能使呼吸机按照医生设定的潮气量给病人通气。此时，呼吸机的频率不再按照所设定的固有频率，而是根据病人的实际需要，呼吸机自动跟踪。只要病人有自主呼吸，就触发呼吸机产生一个送气过程。如果病人没有自主呼吸能力，呼吸机仍然工作在强制性通气方式（图3-1-3）。图3-1-3（1）是病人在没有自主呼吸条件下的机械通气，图3-1-3（2）是在自主呼吸触发下的机械通气。4、间歇性同步间歇强制呼吸（SIMV）经过长时间治疗。病人开始有自己的呼吸，而且能够不完全依靠呼吸机时，可使用这种通气方式。其目的是为了让病人逐渐地脱离呼吸机，逐渐降低强制性通气的密度，更多地进行自主呼吸。在强制性通气的过程中，一旦病人有一个自主呼吸，且只需每秒吸入0.1L的气体，就能触发呼吸机按医生设定的潮气量及气体流速向病人送气。病人每触发一个机械通气，呼吸机将提前所设定的呼吸频率的25%给病人通气（图3-1-4）。5、延长指令通气（EMMV）这是一种新型的通气方式。它主要是能依照病人自主呼吸的强弱，而随时自动调节强制性机械通气。这种呼吸方式使病人总能得到所设置的分钟通气量。它适合于任何类型的病人。可以说EMMV是一种万能的辅助性通气。由于这种呼吸方式能按病人的实际需要，使病人吸入的气体超出了设定值，故叫做延长指令通气。基本原理是：假设有一个气缸被一定量的稳定气体充满，如果没有自主呼吸，流入气缸的气体会将活塞逐渐地推到所设置的潮气量，然后被压下来，使这一部分气体作为强制性通气输送给病人。但是如果病人有一次自主呼吸将气缸内的气体吸入，那么活塞将需要更长的时间达到强制性通气的水平。如果病人完全能自主呼吸，那么活塞将永远达不到触发水平，也就不会有强制性通气。呼吸模式如图3-1-5。6、呼气末正压（PEEP）无论是自然呼吸或普通机械通气，当呼气终了时气流停止，肺泡内压等于大气压。呼气末正压就是人为地在呼气末气道内及肺泡内施加一个高于大气压的压力，这样可以防止肺泡陷闭的发生，增加功能残气容积。因肺泡压力升高，在吸氧浓度不变的前提下，肺泡-动脉血氧分压差增高，有利于氧向血液弥散。同时由于肺泡充气的改善，可使肺顺应性增加，减少呼吸功。也有人认为，呼气末正压能促进肺泡表面活性物质的生成。但其应用也可能对机体造成不良影响，主要为各种气压损伤以及因平均气道内压升高而致使胸内压上升，导致静脉回流障碍。也可能产生或加重机械通气的其它综合病，如颅内压升高、肾功能减退、肝瘀血等。7、持续气道内正压（CPAP）CPAP有人称之为自主呼吸条件下的呼气末正压。CPAP是在自主呼吸条件下，在整个呼吸周期内，人为地施加一定量的气道内正压。它与呼气末正压相比，能更好地达到防止气道萎陷，增加功能残气量，改善顺应性及扩张上气道的作用。如图3-1-6所示。图3-1-