呼吸机的基本结构

不管是何种类型的呼吸机，其基本结构是相似的，应包括：①气源；②供气和驱动装置；③空氧混合器；④控制部分；⑤呼气部分；⑥监测报警系统；⑦呼吸回路；⑧湿化和雾化装置。

（一）气源

绝大多数呼吸机需高压氧和高压空气。氧气源可来自中心供氧系统，也可用氧气钢筒。高压空气可来自中心供气系统，或使用医用空气压缩机。氧气和压缩空气的输出压力不应大于5kg/cm²，因此，使用中心供氧、中心供气，或高压氧气钢筒，均应装配减压和调压装置。

医用空气压缩机可提供干燥和清洁的冷空气；供气量为55~64L/min的连续气流，最大输出连续气流120L/1.5s，工作压力50PSI（3.4kg/ cm²），露点下降5~10F（-2.8~ -5.6℃），噪音小于60dB（1m之内），并有低压报警（30PSI或2.04 kg/ cm²），高温报警（150F或70℃）及断电报警。滤过器可消除90%以上的污染。使用时应注意每天清洗进气口的海绵及排除贮水器的积水。并观察计时器工作，一般满2000~3000h应检修一次。

电动型呼吸机不需高压空气，其中部分需高压氧，部分不需高压氧，经氧流量计供氧。

（二）供气和驱动装置

呼吸机供气部分的主要作用是提供吸气压力，让病人吸入一定量的吸气潮气量，并提供不同吸入氧浓度的新鲜气体。

1. 供气装置 大多数呼吸机供气装置采用橡胶折叠气囊或气缸，在其外部有驱动装置。当采用橡胶折叠气囊时，呼吸机的自身顺应性较大，除本身的弹性原因外，还不能完全使折叠囊中的气体压出。但折叠囊更换容易，成本低，无泄漏，当作为麻醉呼吸机时有独特的优越性。采用气缸作为供气装置时，呼吸机自身顺应性小，可使气缸内的气体绝大部分被压出，但密封环处可能有少量泄漏。近来有采用滚膜式气缸作为供气装置，兼有上述二种优点，且无泄漏，顺应性小。

2. 驱动装置 驱动装置的作用是提供通气驱动力，使呼吸机产生吸气压力。在呼吸机发展史上曾有7种驱动装置：①重力风箱。②负荷弹簧风箱。③线性驱动活塞。④非线性驱动装置。⑤吹风机。⑥喷射器。⑦可调式减压阀。

可调式减压阀为目前应用较多的一种驱动方式。它是指通过减压通气阀装置将来源于贮气钢筒、中心气站或压缩泵中的高压气体转化成供呼吸机通气用的压力较低的驱动气。使用该驱动装置的呼吸机常称为气动呼吸机。

吹风机、线性驱动装置、非线性驱动活塞均需使用电动机作为动力。如吹风机是通过电动马达快速恒定旋转，带动横杆向前运动，推动活塞腔中的气体排出，产生一个恒定恒速驱动气流；非线性驱动活塞是电动马达使轮盘旋转，带动连杆运动而推动活塞。采用这些驱动装置的呼吸机常称为电动呼吸机。电动呼吸机的优点是不需要压缩气源作为动力；故一般结构小巧。

3. 直接驱动和间接驱动 按驱动装置产生的驱动气流进入病人肺内的方式不同，可分为间接驱动和直接驱动。

如果从驱动装置产生的驱动气流不直接进入病人肺内，而是作用于另一个风箱、皮囊或气缸，使风箱、皮囊或气缸中的气体进入病人肺内，称为间接驱动。间接驱动类呼吸机称为双回路呼吸机。间接驱动型耗气大，一般耗气量大于分钟通气量，最大可达二倍的分钟通气量。

如果从驱动装置产生的驱动气流直接进入病人肺内，称为直接驱动。直接驱动类呼吸机称为单回路呼吸机。直接驱动主要适用于可调式减压阀和喷射器这两种驱动装置。就喷射器而言，其采用Venturi原理，高压氧气通过一个细的喷射头射出，有一部分空气被吸入。F_IO₂随吸气压力、氧气压力变化而变化，且变化幅度较大。F_IO₂不小于37%常为急救型呼吸机采用。可调式减压阀驱动装置直接驱动时，常有性能良好的空氧混合器，有伺服性能良好的吸气伺服阀，甚至可直接用两个吸气伺服阀，一个伺服压缩空气，另一个伺服氧气，这种类型的装置可以使病人得到各种不同的吸入氧浓度。伺服阀既可伺服流量，也可伺服压力，阀身小，反应时间快，用这种结构的呼吸机，可以有很多种通气功能，故为多功能呼吸机的首选方案。

（三）空氧混合器

空氧混合器是呼吸机的一个重要部件，其输出气体的氧浓度可调范围应在21%~100%。空氧混合器分简单和复杂两种。

1. 空氧混合装置 以贮气囊作供气装置的呼吸机，常配置空氧混合装置，其结构比较简单，混合度不可能很精确，氧浓度是可调的，由单向阀和贮气囊组成。工作原理是：一定流量的氧气经入口先进贮气囊内，当贮气囊被定向抽气时，空气也从入口经管道抽入贮气囊内，从而实现空氧的混合。要达到预定的氧浓度，则通过调节氧输入量来取得。

氧流量通过计算：气流量=每分钟通气量×（混合气氧浓度－20%）/80%。例如要求混合气氧浓度达到40%，当分钟通气量为10L时，其输入氧浓度的计算方式，即为：氧流量=10×（40%－20%）/80%=2.5L/min。上述计算表明，当分钟通气量为10L时以2.5L/min的纯氧流量，即可获得含40%氧混合气（F_IO₂=0.4）。

2. 空氧混合器 结构精密、复杂，必须耐受输入压力的波动和输出气流量的大范围变化，以保证原定氧浓度不变。通常由一级或二级压力平衡阀、配比阀及完全装置组成（图108-1，原图76-1）。当压缩空气和氧气输入第一级平衡阀时，由于这两种输入气体的压力不可能相等，所以同轴阀蕊将向压力低的一方偏移，造成压力低的一端气阻小，降压也小。而压力高的一端气阻大，降压也大。因而在第一级平衡阀的两端阀，作进一步压力平衡。其工作原理同第一级一样，这次的输出压力已相当均等了。

配比阀实际上是同一轴上的两只可变气阻，当一只气阻减小时，另一只气阻增大。来自前级的等压力进入配比阀后由于受到的气阻不同，所以流入贮气罐的流量也不同（流量=压力/气阻）。如果流入贮气罐的空气流量为7.5L/min，流入的氧流量是2.5L/min，则混合后的氧浓度=（2.5+7.5×20%）/(7.5+2.5)=40%。如果调节配比阀在中间位置，则配比阀两边气阻相同，流入贮气囊的两股气流量也相同。若氧和空气的流入量都是5L/min，则混合后得到氧浓度=（5+5×20%）/（5+5）=60%。

根据上述情况可知，尽管输入的两种压缩气体的压力会有波动，但经过二级平衡之后输出压力是相当均等的，并且不会影响已调定的氧浓度。唯有调节配比阀后，氧浓度才会改变。

为了贮气罐内压力不致升得太高，可安置压力开关，当气罐内压力升至预置值时，压力开关使第二级平衡阀产生压力泄漏而关闭，致使贮气罐因得不到气流补充而压力下降。当压力下降至预置时，压力开关使平衡阀重新启动。安全装置的作用是当两种压缩的气体中的任何一种发生耗竭，或已不符合使用要求时，则另一种气体能立刻自动转换以维持供气；同时能发出声光报警。

（四）控制部分

控制部分是呼吸机的关键组成部分。根据控制所采用的原理不同，可将控制部件分为三种：气控、电控和微处理机控制。控制部分使呼吸机在吸气相和呼气相两者之间切换。

1. 控制原理

（1）气控 呼吸机无需电源，在某种特定的环境很有必要。如急救呼吸机在担架上、矿井内、转运过程中等。它的特点是精度不够高，难以实现较复杂的功能，一般可作一些简单控制。随着器件的低功耗化，以及高性能蓄电池的出现，气控方式有被逐渐淘汰的可能。

（2）电控 是用模拟电路和逻辑电路构成的控制电路来驱动和控制电动机、电磁阀等电子装置的呼吸机，称为电控型呼吸机。

电控型呼吸机控制的参数精度高，可实现各种通气方式。电控型呼吸频率误差一般为5%~10%，气控型为15%~20%，吸呼比由气控呼吸机较难实现，而电控型十分容易，还有同步、压力报警功能等均是如此，故电控型呼吸机有很大的优越性。

（3）微处理机控制 仍属电控型。由于近年计算机技术的迅速发展，这种控制型呼吸机也日趋成熟。呼吸机控制精度高，功能多，越来越多的呼吸机均采用此种方法。目前，呼吸机已可以不改变硬件和呼吸机的结构件，而只需改变控制系统的软件部分，即可修改呼吸机的性能、发展呼吸机的功能。所以，利用微电脑作为呼吸机的控制部分，是呼吸机发展和更新的总趋势。

2. 控制方式

（1）起动（initiating）是指使呼吸机开始送气的驱动方式。起动有3种方式：时间起动、压力起动和流量起动。①时间起动：用于控制通气。它是指呼吸机按固定频率进行通气。当呼气期达到预定的时间后，呼吸机开始送气，即进入吸气期，不受病人吸气的影响。②压力起动 用于辅助呼吸。压力起动指当病人存在微弱的自主呼吸时，吸气时气道内压降低为负压，触发（trigger）呼吸机送气，而完成同步吸气。呼吸机的负压触发范围（灵敏度，sensitivity）为-1~ -5cmH₂O，一般成人设置在-1cmH₂O以上，小儿在-0.5cmH₂O以上。辅助呼吸使用压力触发时，能保持呼吸机工作与病人吸气同步，以利撤离呼吸机，但当病人吸气用力强弱不等时，传感器装置的灵敏度调节困难，易发生过度通气或通气不足。此外，由于同步装置的限制，病人开始吸气时，呼吸机要迟20ms左右才能同步，这称为呼吸滞后（lag time）。病人呼吸频率越快，呼吸机滞后时间越长，病人呼吸作功越多。③流量起动：用于辅助呼吸。流量起动指在病人吸气开始前，呼吸机输送慢而恒定的持续气流，并在呼吸回路入口和出口装有流速传感器，由微机测量两端的流速差值。若差值达到预定水平，即触发呼吸机送气。持续气流流速一般设定为10L/min，预定触发流速为3L/min。流量触发较压力触发灵敏度高，病人呼吸作功较小。

理想的呼吸机触发机制应十分灵敏，可通过两个参数来评价，即灵敏度和反应时间（response time）。灵敏度反映了病人自主吸气触发呼吸机的作功大小。衡量灵敏度的一个指标为敏感百分比，敏感百分比=触发吸气量/自主潮气量x100%。理想的敏感百分比应小于1%，一般成人呼吸机的触发吸气量为0.5ml。小儿呼吸机则更低。

（2）限定（limited） 正压通气时，为避免对病人和机器回路产生损害作用，应限定呼吸机输送气体的量。有3种方式：①容量限定：预设潮气量。通过改变流量、压力和时间三个变量来输送潮气量。②压力限定：预设气道压力，通过改变流量、容量和时间三个变量来维持回路内压力。③流速限定：预设流速。通过改变压力、容量和时间三个变量来达到预设的流速。

（3）切换（cycling）指呼吸机由吸气期转换成呼气期的方式。有4种切换方式：①时间切换：达到预设的吸气时间，即停止送气，转回呼气。②容量切换：当预设的潮气量送入肺后，即转向呼气。③流速切换：当吸气流速降低到一定程度后，即转向呼气。④压力切换：当吸气压力达到预定值后，即转向呼气。

3. 流速形态

有方波、递减波、递增波、正弦波等（图76-2），常用的为前两者。吸气时方波维持恒定高流量，故吸气时间短，峰压高，平均气道压低，更适合用于循环功能障碍或低血压的患者。递减波时，吸气时间延长，平均气道压增高，吸气峰压降低，更适合于有气压伤的患者。在呼吸较强，初始吸气流速较大的患者，与方波相比，递减波不仅容易满足患者吸气初期的高流量需求，也适合患者呼气的转换，配合呼吸形式的变化，故应用增多。

（五）呼气部分

呼气部分是呼吸机中的一个重要组成部分。其主要作用是配合呼吸机作呼吸动作。它在吸气时关闭，使呼吸机提供的气体能全部供给病人；在吸气末，呼气阀仍可以继续关闭，使之屏气；它只在呼气时才打开，使之呼气。当气道压力低于PEEP时，呼气部分必须关闭，维持PEEP。呼气只能从此回路呼出，而不能从此回路吸入。呼气部分主要有三种功能的阀组成，如呼气阀、PEEP阀、呼气单向阀，也可由一个或两个阀完成上述三种功能。

1. 呼气阀 常见呼气阀有电磁阀、气鼓阀、鱼嘴活瓣（兼有吸气单向阀功能）、电磁比例阀、剪刀阀。

电磁阀有两种型式，常见的是动铁型电磁前期，通径一般小于8mm，通常指的电磁阀就是动铁型阀；另一种是动圈型电磁阀，常称电磁比例阀，电磁部分输出的力与电流有关，与输出部分的位移无关；由于电磁比例阀动作部分重量比较轻，反应速度比较快，通径可设计得比较大。由于电磁比例阀不是通用件，一般由专业厂专门设计生产，所以价格比较高。电磁阀多用于婴儿呼吸机中，因为电磁阀结构小、通径小、气阻较大，通过流量不可能很大。

气鼓阀的形式很多，采用这种结构的呼吸机也很多。它可以由电磁阀控制，将电磁阀作为先导阀，此时控制气鼓阀的流量可很小；也可兼有PEEP阀功能。如呼气时使气鼓内压力不是“0”，可使气道内维持PEEP。更为方便的是，可将吸气压力作为控制气鼓阀的气源，结构变得非常简单，但此时不能兼有PEEP阀功能。

鱼嘴活瓣常在简单型呼吸机中采用，因为它兼有吸气单向阀的功能。电磁比例阀是通过控制线圈中的电流来控制呼气阀的开与关，可作为压力限制阀和PEEP阀，其反应时间快，性能良好，可开环控制，故十分方便。剪刀阀的结构如剪刀，故称剪刀阀。它除了作开启或关闭的呼气阀以外，亦可控制其呼出流量，且比其他阀方便。

2. PEEP阀 PEEP阀是临床上用于治疗急性呼吸窘迫综合征的重要手段，PEEP阀除了上述可由呼气阀兼有外，还有几种阀可以实施PEEP功能。如水封PEEP阀，把插入水中的深度作为PEEP值，早期的呼吸机是采用此法实施PEEP功能的。较多见的利用弹簧PEEP阀，作为单独的PEEP阀。磁钢式PEEP是用磁钢吸引力代替弹簧。重锤PEEP阀是利用重锤来限制呼出气的，但改变数值时较麻烦，需要垂直于地面。

3. 呼气单向阀

为了防止重复吸入呼出气或自主吸气时产生同步压力触发，呼吸机都需要呼气单向阀，呼气单向阀大多数由PEEP阀和呼气阀兼任，但有时还必须要装一单向阀，以确保实现上述功能。

（六）监测和报警系统

呼吸机能否正常工作或运转，对病人的抢救成功与否至关重要。因此，呼吸机的监测系统越来越受到研制者和临床应用者的重视。

呼吸机监测系统的作用有两个方面，一是监测病人的呼吸状况，二是监测呼吸机的功能状况，两者对增加呼吸机应用的安全性，均具有相当重要的作用。呼吸机的监测系统包括压力、流量、吸入氧浓度、呼出气CO₂浓度、经皮O₂分压、CO₂分压、血氧饱和度等。大部分呼吸机不直接带有呼气CO₂、血氧饱和度监测装置，而只作为配件装置附带。呼吸机常配有的监测装置有如下三个方面。

1. 压力监测 主要有平均气道压(Paw)、吸气峰压（Pmax）、吸气平台压（Platen）和PEEP上下限压力报警等，还有低压报警。压力监测的方式是通过压力传感器实施的，传感器一般连接在病人Y型接口处，称为近端压力监测。也有接在呼吸机的吸气端或呼气端。

低压报警主要作为通气量不足、管道脱落时压力下降时的报警，有些呼吸机用通过低分钟通气量报警来代替，呼吸机一般均设置这两种功能。高压报警是防止气道压力过高所致的呼吸器官气压伤可能。高压报警有超过压力后报警，兼切换吸气至呼气功能；也有只报警而不切换呼、吸气状态的；使用时应注意。

监测PEEP是将呼气末的压力显示出来，以监测呼吸机的性能。监测Pmax是显示吸气的最高压力，监测Pplateu是显示屏气压力。上述三个压力数据与流量数据结合，可得到吸气阻力、呼气阻力及病人的肺、胸的顺应性测定数据。

2. 流量监测 多功能呼吸机一般在呼气端装有流量传感器，以监测呼出气的潮气量，并比较吸入气的潮气量，以判断机器的使用状态、机械的连接情况和病人的情况。也有的呼吸机应用呼气流量的监测数据来反馈控制呼吸机。

（1）呼出气潮气量 可监测病人实际得到的潮气量。在环路泄漏的定容量通气，特别是定压通气中，有一定的价值。有的呼吸机甚至用此数据馈控吸气压力，还可提供给微电脑计算其顺应性。

（2）呼出气分钟通气量 可通过流量的滤波（即把呼气流量平均，可得到呼出气的分钟通气量）或由潮气量、呼吸时间来计算。前者反应慢，后者反应快；前者可有分立元件实现，后者必须采用微电脑计算。由于每次呼出气的潮气量与呼吸时间均可能有变化，每次计算出的数据变化较大，一般是将3~6次呼吸平均后作为呼出气的分钟通气量。该数据可作为控制分钟的指令通气的关键数据，也可作过度通气与通气不足报警，还可作管道导管接头脱落或窒息等报警监测。流量传感器可以安装在病人的Y型接管处，缺点是增加了一定量的死腔量，优点是可用一个传感器同时监测吸入与呼出气的流量。

3. F_IO₂监测 一般安装在供气部分，监测呼吸机输出的氧浓度，以保证吸入所需浓度的新鲜空-氧混合气体。监测氧浓度的传感器有两种，一是氧电极，二为氧电池。氧电极需要一年一次的更换或加液，氧电池为随弃型。它们的共同缺点是，都只能用一年左右，一旦呼吸机的氧电池失效，呼吸机将总是报警，以致呼吸机不能正常使用。

（七）呼吸回路

多数呼吸机应用管道呼吸回路，吸气管一端接呼吸机气体输出管，另一端与湿化器相连，有时可接雾化器和温度探头。呼气管一端有气动呼气活瓣，中段有贮水器。呼气管与吸气管由Y型管连接，只有Y形管与病人气管导管或气管切开导管相连处是机械死腔。

（八）湿化器与雾化器

1. 湿化器 是对吸入气体的加温和湿化，以使气道内不易产生痰栓和痰痂，并可降低分泌物的粘稠度，促进排痰。较长时间的使用呼吸机时，良好的湿化可预防和减少呼吸道的继发感染，同时还能减少热量和呼吸道水分的消耗。

湿化器大多数是通过湿化罐中的水，使其加温后蒸发，并进入吸入的气体中，最终达到使吸入气加温和湿化的作用。为达到较好的加温和湿化的效果，一般使吸入气体通过被加温罐中的水面；或增加其湿化面积（如用吸水纸）；也有用“鼓泡型”的方法，即使吸入的气体从加温罐的水中通过，但这种方法现已很少用，因为水的振动容易引起误动作或误触发等。

最先进的湿化器是采用特制的多孔纤维管道加温，使水在管道壁外循环，并逐渐弥散管道加温，既有湿化的作用（图108-4，原图76-4），又基本不增加呼吸机的顺应性，这对婴儿呼吸机十分重要，湿化点可放置在吸入气管口的附近，可使湿化的效果大为改善。有些湿化器为减少气体输送过程中的温度损失和减少积水，在吸入气的管道口中还安装了加热线。

2. 雾化器 是利用压缩气源作动力进行喷雾，雾化的生理盐水可增加湿化的效果，也可用作某些药物的雾化吸入。雾化器产生的雾滴一般小于5μm，而湿化器产生的水蒸汽以分子结构存在于气体中；前者的水分子以分子团结构运动，容易沉淀到呼吸道壁 ，不易进入肺的下肺单位，后者的水分子不易携带药物；雾化器容易让病人吸入过量的水分，湿化器不会让病人吸入过量水分，通常还需在呼吸道内滴入适宜的生理盐水以补充其不足。

在使用雾化器过程中，特别要注意雾化是否增加潮气量。有些呼吸机的雾化器能使潮气量增加，有的可不增加；还要注意有些呼吸机的雾化器是连续喷雾，有些是随病人的吸气而喷雾，使用时宜采用降低通气频率、放慢呼吸节奏的方法，使雾化效果更加完善。