專利名稱：一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用人工方法將介質(zhì)送入并送出受體(人或哺乳動(dòng)物)體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備及其設(shè)計(jì)方法，是具有正壓供氣(吸氣)，負(fù)壓排氣(呼氣)的通氣特征的全過程支持的高頻-常規(guī)自動(dòng)切換的人工呼吸機(jī)或人工呼吸支持裝置以及它們的設(shè)計(jì)方法。
人工呼吸機(jī)或人工呼吸支持裝置是臨床上常用的治療呼吸衰竭的醫(yī)療設(shè)備，其根本的功能是在必要時(shí)，用人工方法來部分或全部地替代受體的生理呼吸中的通氣過程。通氣方法的差異導(dǎo)致不同類型的人工呼吸機(jī)和呼吸機(jī)的不同功能。因此，通氣設(shè)計(jì)或氣路設(shè)計(jì)是一切人工呼吸機(jī)設(shè)計(jì)的核心、基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
現(xiàn)代的人工呼吸機(jī)通常以其通氣頻率的范圍分為常規(guī)(常頻)呼吸機(jī)和高頻呼吸機(jī)兩大類。常規(guī)呼吸機(jī)的通氣頻率在1Hz以下，而高頻呼吸機(jī)的通氣頻率可高達(dá)幾十赫芝。從人工呼吸機(jī)的通氣方式來看，常規(guī)人工呼吸機(jī)又可分為定容(容積切換)、定壓(壓力切換)和定時(shí)(時(shí)間切換)幾種類型;而高頻人工呼吸機(jī)則分為高頻噴射(HFJ，High Frequency Jet)、高頻正壓(HFPP，High Frequency Positive Pressure)和高頻振蕩(HFO，High Frequency Oscillation)等幾種類型。
用常規(guī)人工呼吸機(jī)搶救呼吸衰竭患者成功的報(bào)導(dǎo)始見于五十年代初期，四十余年來，呼吸機(jī)技術(shù)獲得極為迅速的發(fā)展，至九十年代，全世界已有專門的呼吸機(jī)廠家20余家，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及危重病醫(yī)學(xué)，急診醫(yī)學(xué)，麻醉醫(yī)學(xué)，內(nèi)科學(xué)，胸外科學(xué)，神經(jīng)科學(xué)和小兒科學(xué)等。隨著常規(guī)人工呼吸機(jī)的廣泛應(yīng)用，其不足之處也就日趨明顯地呈現(xiàn)出來，這主要是①在受體的呼吸氣道中存在著一個(gè)持續(xù)的較高正壓;②吸氣過程和呼氣過程的完成都是以受體呼吸系統(tǒng)具有良好順應(yīng)性為前提的。這些不足之處導(dǎo)致了現(xiàn)代常規(guī)人工呼吸機(jī)在臨床應(yīng)用中出現(xiàn)的種種嚴(yán)重的副作用持續(xù)的較高的氣道正壓，特別是長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)正壓(例如1～4周)，將使好的肺組織負(fù)擔(dān)過重而出現(xiàn)所謂“透明膜變”的危險(xiǎn)，而對(duì)于本來就有病的肺組織來說(其順應(yīng)性通常較差)，為了供應(yīng)足夠的新鮮空氣，又不得不使用更高的正壓來“打開”肺，從而出現(xiàn)越是有病的肺越要承擔(dān)較高壓力的不合理現(xiàn)象。這種惡性循環(huán)常常導(dǎo)致受體最終無法脫離呼吸機(jī)。另一方面，持續(xù)的氣道正壓使右心室負(fù)載上升，心室隔移位，左心輸出量下降，從而形成循環(huán)干擾。
為了解決上述問題和實(shí)現(xiàn)順利“脫機(jī)”，現(xiàn)代常規(guī)人工呼吸機(jī)設(shè)置了眾多的特殊通氣模式，即modePS(Pressure Support)，MMV(Minute Mandatory Ventilation)MSV(Master Slave Ventilation)，CF(Continuous Flow)，APRV(Airway Pressure Release Ventilation)，BUV(Buck up Ventilation)，CPAP(Continuous Positive Airway Pressure)，IPPV(Intermittent Positive Pressure Ventilation)，PEEP(Positive End ExpiratoryPressure)和SIMV(Syn-chronized Intermittent Mandatory Ventilation)，等等。盡管這使現(xiàn)代常規(guī)人工呼吸機(jī)日趨復(fù)雜，但卻沒有能從根本上解決問題，反之，某些mode的使用又引起了新的困難，例如SIMV的使用，又導(dǎo)致了人機(jī)不合諧和呼吸功消耗過大的問題。
為此，近二十年來，世界各國的科學(xué)家一直致力于新型人工呼吸機(jī)工作原理的探討，高頻呼吸機(jī)就是其中之一。
高頻呼吸機(jī)有效的降低了受體氣道中的平均壓力，其供氣過程不依賴受體呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性，因而在供氣時(shí)不會(huì)損害肺組織，不會(huì)發(fā)生人機(jī)對(duì)抗。但是，現(xiàn)有的高頻呼吸機(jī)在臨床使用中又出現(xiàn)了血?dú)夥治龈纳撇粔蜓杆伲粔蚶硐氲膯栴}，因而難于在臨床推廣應(yīng)用，特別不適宜用于長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)治療。另一方面，由于高頻呼吸機(jī)的通氣頻率遠(yuǎn)高于受體的生理呼吸頻率，因此，現(xiàn)有的高頻呼吸機(jī)難以完成從無自主呼吸到有不規(guī)則自主呼吸，到有一定強(qiáng)度的規(guī)則自主呼吸，直至受體完全脫離呼吸機(jī)的全過程的支持。
上述兩大類呼吸機(jī)的不足之處，均來源于其固有的通氣設(shè)計(jì)。仔細(xì)地分析不難發(fā)現(xiàn)不論是常規(guī)呼吸機(jī)還是高頻呼吸機(jī)，在其運(yùn)行過程中，不論是吸氣相還是呼氣相，在受體的呼吸氣道內(nèi)，始終存在一個(gè)高于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱恼龎?，依賴這個(gè)正壓，吸氣過程得以進(jìn)行，同樣依賴這個(gè)正壓，呼氣過程得以實(shí)現(xiàn)。換句話說，現(xiàn)代一切呼吸機(jī)(常規(guī)的和高頻的)，其通氣設(shè)計(jì)的基點(diǎn)是在受體氣道中產(chǎn)生一個(gè)正壓。這一通氣設(shè)計(jì)顯然違反了生理呼吸時(shí)的通氣方式，生理呼吸的通氣，在吸氣相，氣道內(nèi)為負(fù)壓，而在呼氣相，氣道內(nèi)才為正壓。因此，生理呼吸時(shí)，就一個(gè)呼吸周期而言，其氣道平均壓力為零。這樣一種通氣方式，可以理想地保持血?dú)夥治龅恼！?br> 具體的講，Aika生產(chǎn)的微機(jī)控制的CLV-50型，Bear生產(chǎn)的微機(jī)控制的5 Volume Venti型，Bird生產(chǎn)的雙微控制的6400ST和8400ST型，Carburos Metalicos生產(chǎn)的微機(jī)控制的S/120，Infrasonics生產(chǎn)的多微機(jī)控制的Infant star和Adult star，Newport生產(chǎn)的微機(jī)控制的E150和E200，Puritan Bennett生產(chǎn)的微機(jī)控制的7200A，SLE生產(chǎn)的微機(jī)控制的Newbom250，Sechrist生產(chǎn)的微機(jī)控制的2200B，Seimens生產(chǎn)的電子控制的Servo 900C等等以及中國專利CN1035245A所描述的都是以前述違反生理呼吸規(guī)律的正壓通氣為通氣設(shè)計(jì)基點(diǎn)的常規(guī)呼吸機(jī)。
就高頻呼吸機(jī)而言，Acutronic生產(chǎn)的微機(jī)控制的VS-150S，AMS-1000都是HFJ型高頻呼吸機(jī)，顯然，在這些呼吸機(jī)運(yùn)行的任何時(shí)刻，在受體的呼吸氣道中將始終存在一個(gè)高于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱恼龎海蚨粫?huì)獲得滿意的改善臨床血?dú)夥治龅男Ч?。美國專?918917(發(fā)明人Emerson)，美國專利4155356(發(fā)明人Venegas)和美國專利5007420(發(fā)明人Bird)描述的都是在自主呼吸或常規(guī)人工呼吸機(jī)上再疊加一個(gè)高頻壓力波以強(qiáng)化自主呼吸或常規(guī)人工呼吸的通氣技術(shù)方案，這些技術(shù)方案或者不能獨(dú)立支持受體的通氣(以有自主呼吸為前提)，或者以在受體的氣道中始終保持一個(gè)正壓為通氣的前提。這些技術(shù)方案相當(dāng)于無線電技術(shù)中的載波技術(shù)。
美國專利4838257(發(fā)明人G.M.Hatch)和美國專利4838259(發(fā)明人E.H.Gluck等)所描述的都是以升高受體氣道壓為排氣條件的高頻呼吸機(jī)，即受體的氣道中始終存在一個(gè)高于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱恼龎骸?br> 原蘇聯(lián)專利SU1519707A描述的是一種具有單向單通道的旋轉(zhuǎn)式呼吸閥的高頻呼吸機(jī)，因此只能實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)向受體供氣(即受體吸氣)的功能，而排氣過程則只能依賴受體氣道壓的升高。
美國專利4821709(發(fā)明人Jensen)描述了一種可以支持無自主呼吸的高頻振蕩呼吸機(jī)。這種高頻振蕩呼吸機(jī)是在予先加到受體氣道上的連續(xù)氣流上(Contituous flow)再疊加一個(gè)高頻振蕩壓力波。因此，從受體氣道中的壓力變化規(guī)律來看，相當(dāng)于是在一個(gè)高于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱幕A(chǔ)壓力上有一個(gè)脈動(dòng)氣流。而排氣過程則是利用針狀閥來升高受體氣道壓力從而實(shí)現(xiàn)排氣的。
中國專利CN1045036A描述的是一種高頻振蕩呼吸機(jī)，適用于輔助病人的呼吸需要。這種高頻振蕩呼吸機(jī)利用偏心輪帶動(dòng)連桿使單個(gè)活塞及活瓣運(yùn)動(dòng)。氣體經(jīng)由噴針射入受體氣道。顯然，經(jīng)由活瓣體與活瓣導(dǎo)向后的氣流已經(jīng)不是振蕩氣流而是單向運(yùn)動(dòng)的氣流，這個(gè)有一定壓力的氣流由噴針噴向受體的氣道。同樣明顯的是，受體呼出的氣體不可能再反向經(jīng)過噴針回到振蕩器中，因而只能靠受體氣道壓力的升高自噴針與受體氣道之間的空隙處排出。
德國專利DE3417-954-A雖然提出了一種有排氣功能的通氣設(shè)計(jì)技術(shù)方案，但是在具體實(shí)施時(shí)，排氣與供氣將難以協(xié)調(diào)一致，這一點(diǎn)在高頻通氣時(shí)將尤為明顯。
綜上所述，上述常規(guī)呼吸機(jī)和高頻呼吸機(jī)雖已在臨床上獲得廣泛應(yīng)用，但各有其不足，前者主要的缺陷在于在受體的氣道中有一個(gè)持續(xù)存在的較高正壓，而呼氣功能的實(shí)現(xiàn)又依賴于受體呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性;后者主要的缺陷則表現(xiàn)為對(duì)臨床血?dú)夥治龅母纳粕胁焕硐?，且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)從無自主呼吸到有自主呼吸的全過程支持。
四十余年來，人工呼吸機(jī)的發(fā)展和臨床應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)都證明任何一臺(tái)人工呼吸機(jī)的失敗往往不在于供氣(吸氣)，而恰恰在于排氣(呼氣)。排氣(呼氣)設(shè)計(jì)的不成功，是現(xiàn)代各類呼吸機(jī)存在不足的根源。
人工呼吸機(jī)(常規(guī)和高頻)的根本功能是用人工方法來部分或全部地替代受體的生理呼吸中的通氣過程(這包括吸氣和呼氣兩個(gè)方面)，因此，通氣設(shè)計(jì)或氣路設(shè)計(jì)是一切人工呼吸機(jī)設(shè)計(jì)的核心、基礎(chǔ)與關(guān)鍵。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)前述兩大類呼吸機(jī)在通氣設(shè)計(jì)上的不足和由此而引起的儀器上的不足，提出一種新的人工呼吸機(jī)的通氣設(shè)計(jì)方法及據(jù)此而設(shè)計(jì)的可以從根本上消除受體氣道的持續(xù)正壓，吸氣與呼氣均不依賴受體呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性，無需受體付出呼吸功，確保充分的吸氣與呼氣(從而具有滿意的改善臨床血?dú)夥治龅哪芰?，不出現(xiàn)人機(jī)不協(xié)調(diào)現(xiàn)象的使用簡(jiǎn)便的有能力支持從無自主呼吸到有一定自主呼吸直至受體安全脫機(jī)的全過程的人工呼吸機(jī)。
本發(fā)明的內(nèi)容包括如下三部分第一部分 基本的通氣原理生理呼吸的通氣過程可以確保在一個(gè)呼吸周期中，氣道內(nèi)的平均表壓力為零，即等于當(dāng)?shù)卮髿鈮?也可以確保充分的吸氣與呼氣，從而具有滿意的改善血?dú)夥治龅男Ч膺^程的功能說到底就是把足夠的新鮮空氣輸運(yùn)到呼吸系統(tǒng)的呼吸區(qū)，同時(shí)還要把呼吸區(qū)內(nèi)來自靜脈血的二氧化碳充分地輸運(yùn)到體外的大氣。上述兩個(gè)輸運(yùn)是在同一個(gè)非循環(huán)的管系中進(jìn)行的，這兩個(gè)輸運(yùn)又具有相反的方向，因此，生理呼吸的通氣過程的最基本的特點(diǎn)是氣流在呼吸氣道中呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即振蕩運(yùn)動(dòng)，這個(gè)振蕩運(yùn)動(dòng)是以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)線的(即壓力波有正負(fù)幅值)，是發(fā)生在呼吸氣道的特定區(qū)域的。振蕩管流理論可以證明，在管內(nèi)出現(xiàn)振蕩流動(dòng)的區(qū)域，其軸向(也就是振蕩方向)的質(zhì)能輸運(yùn)可以被極大的強(qiáng)化。
生理呼吸的通氣過程中出現(xiàn)的振蕩氣流的特征可以歸納如下1.通氣頻率等于振蕩氣流的振蕩頻率，即一呼一吸的總時(shí)間等于氣流的振蕩周期;2.吸氣半周期通常不等于呼氣半周期，即吸氣相的持續(xù)時(shí)間通常不等于呼氣相的持續(xù)時(shí)間;3.吸氣相的累積體積流量恒等于呼氣相的累積體積流量;4.吸氣相的壓力波形狀通常不同于呼氣相的壓力波形狀;5.作為上述特征的必然結(jié)果是吸氣相的壓力波的幅值與呼氣相壓力波的幅值具有相反的符號(hào)且絕對(duì)值通常不相等。正是這些特征保證了生理呼吸的通氣過程在氣道中具有平均表壓力為零和改善血?dú)夥治龅臐M意效果。
現(xiàn)有的常規(guī)呼吸機(jī)和高頻呼吸機(jī)在模擬通氣過程時(shí)忽視了對(duì)呼氣相的模擬，因而難以獲得滿意的通氣效果。本發(fā)明則以全面模擬上述振蕩氣流特征，特別是呼氣相氣流特征，作為通氣設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因而本發(fā)明的氣路布局不同于以往的設(shè)計(jì)，相應(yīng)的控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有其特點(diǎn)。
第二部分 基本氣路布局與通氣設(shè)計(jì)為了在受體的呼吸氣道中產(chǎn)生一個(gè)具有前述特征的振蕩通氣氣流，本發(fā)明的基本氣路布局包括來自于正壓氣源的正壓氣路，來自于負(fù)壓氣源的負(fù)壓氣路，正負(fù)壓氣路的切換機(jī)構(gòu)-旋轉(zhuǎn)式雙向多路正負(fù)壓呼吸閥(以下簡(jiǎn)稱旋轉(zhuǎn)式呼吸閥或呼吸閥)，若干旁路，通向受體氣道的出現(xiàn)振蕩氣流的呼吸氣路以及必需的報(bào)警與過壓保護(hù)系統(tǒng)，氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。
正壓氣路由與環(huán)境大氣相通的正壓氣源、過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)、穩(wěn)壓室，氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、供氣含氧濃度調(diào)節(jié)旁路(包括氧氣氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng))、穩(wěn)壓室、微機(jī)控制的調(diào)壓閥、加溫加濕裝置、氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和三通接頭順次相連組成。三通接頭的一端由管道與旋轉(zhuǎn)式呼吸閥相連結(jié)，三通接頭的第三端由管道與一個(gè)受微機(jī)控制的調(diào)壓閥進(jìn)口相連，調(diào)壓閥的出口由管道與旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路相通而構(gòu)成正壓旁路。
負(fù)壓氣路由與環(huán)境大氣相通的負(fù)壓氣源、過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)、穩(wěn)壓室、微機(jī)控制的調(diào)壓閥、氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和三通接頭順次相連組成。三通接頭的一端由管道與旋轉(zhuǎn)式呼吸閥相連結(jié)，三通接頭的第三端由管道與一個(gè)受微機(jī)控制的調(diào)壓閥出口相連，調(diào)壓閥的進(jìn)口由管道與旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路相通而構(gòu)成負(fù)壓旁路。
旋轉(zhuǎn)式呼吸閥由受微機(jī)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)式呼吸閥上設(shè)置了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的光電測(cè)量定位裝置。
在旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路上還設(shè)置了通向大氣的旁路，這個(gè)旁路由管道和受微機(jī)控制的調(diào)壓閥組成，調(diào)壓閥的進(jìn)口由管道與旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路相通，調(diào)壓閥的出口通向大氣。
在旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路上的三個(gè)旁路之后，順次連結(jié)正負(fù)過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)、靜電除塵、醫(yī)用過濾器、醫(yī)用噴霧器和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)直至受體的氣道插管。
上述全部測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)均經(jīng)由接口電路與微機(jī)系統(tǒng)相交聯(lián)并由微機(jī)系統(tǒng)處理。
依據(jù)上述通氣原理并利用上述氣路布局，可以在受體的呼吸氣道中(而不是受體外)產(chǎn)生一個(gè)具有前述特征的振蕩通氣氣流，其具體方法與步驟是1.以受體生理呼吸時(shí)的氣道平均壓力即當(dāng)?shù)卮髿鈮簽樵O(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力。對(duì)于無自主呼吸情況，可以利用旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道上的通向大氣的旁路來建立;對(duì)于有自主呼吸情況(此時(shí)，上述通大氣的旁路是接通的)，可以根據(jù)受體自主呼氣末轉(zhuǎn)成吸氣始時(shí)的氣道壓力(也等于當(dāng)?shù)卮髿鈮?來建立設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力;2.利用旋轉(zhuǎn)式呼吸閥交替接通和關(guān)閉正負(fù)壓氣路，從而在旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路中(當(dāng)然也就在受體的氣道中)交替地出現(xiàn)高于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱恼龎汉偷陀诋?dāng)?shù)卮髿鈮旱呢?fù)壓，導(dǎo)致在上述氣路和受體氣道中出現(xiàn)沿管道軸向的、以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)壓力的振蕩氣流;3.顯然，這個(gè)振蕩氣流是一個(gè)有間斷的雙向交變流動(dòng)而不是一個(gè)單向脈動(dòng)流動(dòng)(即不是一個(gè)Continuous Flow);4.這個(gè)軸向振蕩氣流的每個(gè)呼吸周期的單向累積體積流量即為潮氣量VT，理論上，這個(gè)潮氣量等于每次呼吸的體積吸氣量，也等于每次呼吸的體積呼氣量;5.令吸氣相的累積體積流量等于呼氣相的累積體積流量，從而保證受體氣道中的平均壓力始終等于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力;6.將潮氣量VT取為120ml以下的某個(gè)值，這樣，呼吸機(jī)的供排氣過程將幾乎不影響受體呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性;7.由于供排氣不依賴受體的呼吸動(dòng)作，因而受體呼吸功的消耗在理論上可以小至零;8.由于潮氣量VT的減小，為保證單位時(shí)間的供氣量Q(也就是保證單位時(shí)間的供氧量)，因而通氣頻率f必須提高，其間的關(guān)系為Q(升/分鐘)＝VT(升/次)×fm(次/分鐘)。其中m為大于0而小于或等于1的實(shí)數(shù);9.上述振蕩氣流的振蕩周期等于一吸一呼的總時(shí)間，也等于供氣和排氣的總時(shí)間，即呼吸周期;這個(gè)呼吸周期等于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式呼吸閥的電機(jī)轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的n分之一(即n為呼吸閥轉(zhuǎn)子307的開孔數(shù));10.調(diào)整上述電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就改變了上述振蕩氣流的振蕩周期，也就改變了上述呼吸周期或通氣頻率;11.使上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式呼吸閥在接通正負(fù)壓氣路時(shí)具有不同的轉(zhuǎn)速，就獲得了不同的呼吸時(shí)間比(即I/E);12.上述振蕩氣流的壓力波的形狀可以用下述兩種方法來任意設(shè)置第一，設(shè)定恒定的正壓和恒定的負(fù)壓，依賴微機(jī)提供的旋轉(zhuǎn)式呼吸閥在吸氣相和呼氣相的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律來實(shí)現(xiàn)上述振蕩氣流中的壓力波的形狀的設(shè)定;第二，讓旋轉(zhuǎn)式呼吸閥在吸氣相和呼氣相分別以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，依賴微機(jī)提供的規(guī)律分別調(diào)整正負(fù)壓氣路上的調(diào)壓閥來實(shí)現(xiàn)上述振蕩氣流中的壓力波的形狀的設(shè)定;13.在上述振蕩氣流的振蕩周期(對(duì)應(yīng)呼吸周期)、正負(fù)半周期(對(duì)應(yīng)I/E)以及壓力波的形狀都確定的前提下，壓力波的幅值就由單位時(shí)間的供氣量而唯一的確定了;14.在受體病情需要時(shí)，臨床醫(yī)生可以利用由微機(jī)控制的正壓旁路和負(fù)壓旁路上的調(diào)壓閥來建立任意必要的不等于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱臍獾榔骄鶋毫榛鶞?zhǔn)壓力，并在這個(gè)新的基準(zhǔn)壓力下建立振蕩氣流;15.由微機(jī)控制在自旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的這一段氣路上使氣路定時(shí)處于全閉塞態(tài)，以獲取受體出現(xiàn)自主呼吸的信號(hào)，并根據(jù)這個(gè)信號(hào)的強(qiáng)弱來實(shí)現(xiàn)高頻-常規(guī)兩種通氣的自動(dòng)切換;16.在切換為常規(guī)通氣后，通大氣的旁路接通，從而允許自主吸與自主呼進(jìn)行。此時(shí)，呼吸機(jī)根據(jù)設(shè)定的供氣流量，對(duì)受體實(shí)施補(bǔ)充供氣和補(bǔ)充排氣，直到這個(gè)補(bǔ)充量為零，實(shí)現(xiàn)受體的完全自主呼吸，即脫機(jī)。此時(shí)，呼吸機(jī)仍處于工作狀態(tài)，一旦自主呼吸信號(hào)消失，呼吸機(jī)將立即恢復(fù)高頻通氣狀態(tài);17.供應(yīng)受體呼吸用的氣體的含氧濃度和濕度由設(shè)置在正壓氣路上的專用旁路系統(tǒng)來調(diào)節(jié);18.為保障供氣氣體的質(zhì)量，在進(jìn)入受體氣道之前的呼吸氣路上設(shè)置了靜電除塵和醫(yī)用過濾器;19.為保證安全，在整個(gè)氣路中設(shè)置了多處過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)和獲得預(yù)期的通氣效果，本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施方案及儀器也有其獨(dú)自的特點(diǎn)。
第三部分 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案與儀器的說明本發(fā)明的增強(qiáng)型呼吸機(jī)的總體框圖如

圖1所示，圖中虛線框內(nèi)是本發(fā)明的普通型呼吸機(jī)，上述二者的區(qū)別為前者比后者多一套PC機(jī)系統(tǒng)。其框圖包括由與環(huán)境大氣相通的正壓氣源101，穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)103，氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)105和氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)107等組成的正壓氣路;由與環(huán)境大氣相通的負(fù)壓氣源102，穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)104和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)106等組成的負(fù)壓氣路;上述正負(fù)壓氣路分別經(jīng)由兩個(gè)三通與旋轉(zhuǎn)式雙向多路正負(fù)壓呼吸閥系統(tǒng)108的正負(fù)壓接口相通，第三個(gè)接口分別與旁路系統(tǒng)109中的調(diào)壓閥相通，構(gòu)成正壓旁路和負(fù)壓旁路;旁路系統(tǒng)109中還設(shè)有一個(gè)通大氣的自主呼吸旁路;在旋轉(zhuǎn)式呼吸閥系統(tǒng)108至受體呼吸氣道的氣路上，除了上述旁路系統(tǒng)外，還設(shè)置了過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)110、氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)111和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)112、直至受體的氣道插管。上述各系統(tǒng)的全部測(cè)控信號(hào)均經(jīng)由接口電路113與本發(fā)明呼吸機(jī)內(nèi)的微機(jī)系統(tǒng)114、115相交聯(lián)，并由微機(jī)系統(tǒng)處理。這個(gè)微機(jī)系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以由增強(qiáng)型所配置的PC機(jī)系統(tǒng)116來管理。
以下根據(jù)圖2說明本發(fā)明呼吸機(jī)為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的所配置的器件。由正壓氣源101出發(fā)，用管道順次連結(jié)過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)110-2、穩(wěn)壓室103-1、氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)105-1，經(jīng)過一個(gè)三通，一端與氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)中的氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)107-3、調(diào)壓閥107-2和氧氣源107-1相連，另一端用管道順次連結(jié)穩(wěn)壓室103-2、調(diào)壓閥103-3、加溫器107-4、加濕器107-5、加溫器107-6和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)105-2。隨后，經(jīng)三通的一端用管道與旋轉(zhuǎn)式呼吸閥108-3中的正壓氣路接口相連構(gòu)成正壓氣路，經(jīng)三通的另一端由管道與調(diào)壓閥109-1相連，調(diào)壓閥109-1的另一接口由管道與自旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路上的五通接口相連，從而構(gòu)成正壓旁路。由負(fù)壓氣源102出發(fā)，用管道順次連結(jié)過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)110-1、穩(wěn)壓室104-1、調(diào)壓閥104-2和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)106，經(jīng)由三通接頭，一端用管道與旋轉(zhuǎn)式呼吸閥108-3中的負(fù)壓氣路接口相連構(gòu)成負(fù)壓氣路，經(jīng)三通的另一端由管道與調(diào)壓閥109-3相連，調(diào)壓閥109-3的另一接口由管道與自旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路上的五通接口相連，從而構(gòu)成負(fù)壓旁路。上述五通接口的第四端由管道與調(diào)壓閥109-2相連，調(diào)壓閥109-2的另一接口直通大氣，從而構(gòu)成通大氣的自主呼吸旁路。由五通接口的第五端出發(fā)，用管道順次連結(jié)靜電除塵器111-1、過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)110-3、醫(yī)用過濾器111-2和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)112，直至受體氣道的插管。
旋轉(zhuǎn)式雙向多路正負(fù)壓呼吸閥系統(tǒng)108包括驅(qū)動(dòng)電路108-1、電機(jī)108-2、旋轉(zhuǎn)式呼吸閥108-3和光電測(cè)量定位裝置108-4。驅(qū)動(dòng)電路108-1由本發(fā)明呼吸機(jī)內(nèi)的微機(jī)和相應(yīng)的接口電路組成。旋轉(zhuǎn)式呼吸閥108-3的構(gòu)造和光電測(cè)量定位裝置108-4如圖3所示，包括定位盤301，閥體302，上靜子303，下靜子304，傳動(dòng)銷305，彈簧306，轉(zhuǎn)子307，光電管308，點(diǎn)光源309和轉(zhuǎn)子軸310等。閥體302上設(shè)有正壓氣路接口N，負(fù)壓氣路接口M和呼吸氣路接口P，分別與正壓氣路、負(fù)壓氣路和呼吸氣路中的五通接口相接。轉(zhuǎn)子307呈圓盤狀，其上有n個(gè)孔(n為正整數(shù)，例如n＝2～10)，在設(shè)計(jì)中n的選擇與轉(zhuǎn)子直經(jīng)大小，通氣頻率高低以及電機(jī)108-2的轉(zhuǎn)速有關(guān)，上述n個(gè)孔的總面積等于氣路的截面積。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由微機(jī)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制。轉(zhuǎn)子軸310與轉(zhuǎn)子307用傳動(dòng)銷305連結(jié)。轉(zhuǎn)子軸310與電機(jī)軸由可以保證同心和拆裝方便的通用連軸器連結(jié)。在上靜子303和下靜子304上各有2n個(gè)孔呈對(duì)稱均勻分布，上下靜子分置于閥體內(nèi)上下兩端，并且使上下靜子上的2n個(gè)孔相互對(duì)齊，同時(shí)，上靜子303上的2n個(gè)孔分別與閥體302上的正負(fù)壓氣路接口N和M相連通，而下靜子304上的2n個(gè)孔則與呼吸氣路接口P相連通。轉(zhuǎn)子307被夾持在上下靜子之間，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并由彈簧306保持上下靜子端面與轉(zhuǎn)子端面的密切貼合，以防止漏氣，轉(zhuǎn)子與靜子的各貼合端面均具有很高的平面度與光潔度。為保證轉(zhuǎn)子與靜子各貼合端面的耐磨性，對(duì)轉(zhuǎn)子和靜子的各貼合端面進(jìn)行了特殊處理。為使呼吸閥108-3便于快速拆裝和整體消毒，閥體302的正壓氣路接口，負(fù)壓氣路接口以及呼吸氣路接口與相應(yīng)的氣路聯(lián)接處均設(shè)計(jì)為快速拆裝封嚴(yán)機(jī)構(gòu)(例如多頭精密螺紋密封聯(lián)接裝置，卡珠式密封聯(lián)接裝置等)。呼吸閥108-3中還設(shè)置了一個(gè)使其處于全閉塞態(tài)的閥門全截止區(qū)(其圓心角為0.01°至10°)，以便于控制呼吸氣道中的通氣氣流的壓力波形狀。
為了準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)子307的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律和確定轉(zhuǎn)子307與靜子之間的相對(duì)位置，本發(fā)明在呼吸閥轉(zhuǎn)子軸310上設(shè)置了定位盤301，在閥體302上設(shè)置了光電轉(zhuǎn)換管308和點(diǎn)光源309。定位盤301與轉(zhuǎn)子軸310同軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。光電轉(zhuǎn)換管308和點(diǎn)光源309分別置于定位盤301的兩側(cè)并固定于閥體302上。在定位盤上開有若干透光的徑向狹縫或小孔，在定位盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，定位盤的非透光部分阻隔了點(diǎn)光源309至光電轉(zhuǎn)換管308之間的光路，故光電轉(zhuǎn)換管無輸出。在定位盤的透光的徑向狹縫或小孔經(jīng)過點(diǎn)光源與光電轉(zhuǎn)換管之間的光路時(shí)，點(diǎn)光源至光電轉(zhuǎn)換管之間的光路處于接通狀態(tài)，于是光電轉(zhuǎn)換管輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)供微機(jī)識(shí)別，從而方便地確定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律和轉(zhuǎn)子相對(duì)于靜子的每個(gè)時(shí)刻的位置。
為了獲取必要的測(cè)量信號(hào)，設(shè)置了若干參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其配置與功能分述如下測(cè)量系統(tǒng)105-1和107-3由壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)和壓差傳感器組成。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)105-1所測(cè)得的氣流壓力、溫度和體積流量的數(shù)據(jù)以及面板設(shè)定的供氣氧濃度，由微機(jī)按完全氣體混合物狀態(tài)方程解算出所需的供氧質(zhì)量流率，再根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)107-3測(cè)得的氧氣流壓力、溫度和體積流量由微機(jī)解算出實(shí)際的供氧質(zhì)量流率，并由微機(jī)比較判斷，以此為依據(jù)由微機(jī)經(jīng)接口電路調(diào)整調(diào)壓閥107-2，直到實(shí)際供氧質(zhì)量流率等于所需供氧質(zhì)量流率為止。
測(cè)量系統(tǒng)105-2和106由動(dòng)態(tài)壓力、溫度、流量和壓差傳感器組成，測(cè)得的氣流壓力、溫度和流量隨時(shí)間變化的信號(hào)經(jīng)由接口電路送入微機(jī)中貯存?zhèn)溆茫瑴y(cè)量系統(tǒng)105-2中還可配置氧濃度氣體分析儀，測(cè)量系統(tǒng)106中還可配置二氧化碳濃度氣體分析儀，以監(jiān)測(cè)實(shí)際的吸入氣體氧濃度和呼出氣體二氧化碳濃度，作為判定受體呼吸效能的依據(jù)。
測(cè)量系統(tǒng)108-4由帶有若干透光的徑向狹縫或小孔的定位盤301、光電轉(zhuǎn)換管308和點(diǎn)光源309組成。所獲得的脈沖信號(hào)經(jīng)由接口電路送至微機(jī)處理，得到旋轉(zhuǎn)式呼吸閥轉(zhuǎn)子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律及瞬時(shí)位置，這包括通氣頻率，呼吸時(shí)間比和在吸氣相、呼氣相的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，這些數(shù)據(jù)由微機(jī)與由面板設(shè)定的值進(jìn)行比較判斷，并以判斷結(jié)果為依據(jù)由微機(jī)經(jīng)接口電路對(duì)電機(jī)108-2進(jìn)行調(diào)控。
測(cè)量系統(tǒng)112由動(dòng)態(tài)壓力、溫度、濕度、流量、壓差等傳感器組成，測(cè)得的氣流壓力、溫度、濕度、流量等參數(shù)隨時(shí)間變化的信號(hào)經(jīng)由接口電路送入微機(jī)中貯存和處理，獲得的壓力、溫度、濕度和流量隨時(shí)間變化的曲線以及平均壓力、瞬態(tài)正壓峰值、瞬態(tài)負(fù)壓峰值等數(shù)據(jù)送屏顯并貯存?zhèn)溆谩?br> 以下仍根據(jù)圖2進(jìn)一步描述本發(fā)明呼吸機(jī)的通氣運(yùn)行工作過程?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)來自測(cè)量系統(tǒng)108-4測(cè)得的呼吸閥的轉(zhuǎn)子307的瞬時(shí)位置信號(hào)，使呼吸閥108-3在任何情況下都保證在停機(jī)態(tài)時(shí)是處于全閉塞態(tài)，且保證開機(jī)后的第一個(gè)動(dòng)作為供氣態(tài)即受體吸氣狀態(tài)。呼吸閥108-3的這個(gè)全閉塞態(tài)既是建立預(yù)期氣道平均壓力的必要條件也是控制呼吸氣路(包括受體氣道)中氣流壓力波形狀的必要條件，還是判斷受體是否存在自主呼吸以獲取常規(guī)-高頻通氣模式自動(dòng)切換信號(hào)的必要條件。
首先假定受體處于無自主呼吸狀態(tài)，此時(shí)調(diào)壓閥109-1和109-3處于關(guān)閉狀態(tài)，由控制系統(tǒng)打開調(diào)壓閥109-2，使自呼吸閥108-3至受體氣道的全部氣路通大氣，從而在呼吸氣路中建立了等于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱幕鶞?zhǔn)壓力，測(cè)量系統(tǒng)112中的壓力傳感器測(cè)得的氣道壓力即為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ΓS即關(guān)閉通大氣的調(diào)壓閥109-2。
根據(jù)面板設(shè)定的通氣頻率和轉(zhuǎn)子307的設(shè)計(jì)開孔數(shù)n，微機(jī)解算得電機(jī)108-2的轉(zhuǎn)速，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路108-1驅(qū)動(dòng)電機(jī)108-2和轉(zhuǎn)子307按算得的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，以獲得預(yù)期的通氣頻率(或通氣周期)。由微機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)電路108-1驅(qū)動(dòng)電機(jī)108-2按算得的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其初始時(shí)刻轉(zhuǎn)子307使正壓氣路。負(fù)壓氣路和呼吸氣路處于全閉塞態(tài)，這個(gè)全閉塞態(tài)持續(xù)的時(shí)間很短(取決于轉(zhuǎn)速和全截止區(qū)的大小)，隨即轉(zhuǎn)子307使正壓氣路與呼吸氣路開始接通，由正壓氣路提供的正壓氣流流向呼吸氣路和受體的呼吸氣道，測(cè)量系統(tǒng)112和105-2測(cè)得呼吸氣路(包括受體呼吸氣道)中存在的正壓和流向受體的流量，呼吸氣路處于正壓狀態(tài)。隨著電機(jī)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，呼吸閥108-3逐步呈全開啟狀態(tài)，然后逐步減小開啟度，直至正壓氣路被完全關(guān)閉。隨著電機(jī)108-2的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，呼吸閥108-3再次呈現(xiàn)短時(shí)的全閉塞態(tài)，并隨即進(jìn)入負(fù)壓排氣態(tài)，轉(zhuǎn)子307使正壓氣路閉鎖而使負(fù)壓氣路與呼吸氣路接通，利用負(fù)壓氣路在呼吸氣路(包括受體氣道)中產(chǎn)生的負(fù)壓，造成一個(gè)流向大氣的流動(dòng)，此時(shí)，呼吸氣路及受體氣道處于負(fù)壓狀態(tài)。隨著電機(jī)108-2的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子307使負(fù)壓氣路的開啟度由小至大，再減為零，呼吸閥108-3又處于全閉塞態(tài)。如此反復(fù)循環(huán)，轉(zhuǎn)子307每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，正壓氣路和負(fù)壓氣路就分別與呼吸氣路接通n次，在呼吸氣路和受體氣道中完全由呼吸機(jī)造成了一個(gè)有設(shè)定頻率的以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)壓力的純振蕩氣流。為了保證受體氣道的平均壓力始終等于面板的設(shè)定值，即測(cè)量系統(tǒng)112的動(dòng)態(tài)壓力傳感器所測(cè)得的氣道壓力隨時(shí)間變化的曲線經(jīng)微機(jī)處理后求得的氣道平均壓力等于面板的設(shè)定值，為此，微機(jī)定時(shí)的比較這兩個(gè)壓力值，若這兩個(gè)壓力值不等，則微機(jī)經(jīng)由接口電路調(diào)節(jié)正壓氣路上的調(diào)壓閥103-3和負(fù)壓氣路上的調(diào)壓閥104-2，調(diào)節(jié)時(shí)以測(cè)量系統(tǒng)105-2的流量傳感器所測(cè)得的值和測(cè)量系統(tǒng)106的流量傳感器所測(cè)得的值為參考，此二流量值大體相等，之所以不會(huì)絕對(duì)相等，是因?yàn)樵谡麄€(gè)呼吸機(jī)的氣路中不可避免地存在著漏氣現(xiàn)象。
如上所述，本發(fā)明呼吸機(jī)通氣頻率的改變是通過由面板設(shè)定新頻率值，經(jīng)接口電路送至微機(jī)，再由微機(jī)解算后返回接口電路送至驅(qū)動(dòng)電路108-1，驅(qū)動(dòng)電路按新的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)108-2和呼吸閥108-3的轉(zhuǎn)子307，從而獲得新的通氣頻率。
在通氣頻率確定后，轉(zhuǎn)子307接通一次正負(fù)壓氣路的總時(shí)間就確定了，根據(jù)面板設(shè)定的吸呼時(shí)間比(I/E)，微機(jī)可以分配轉(zhuǎn)子307接通一次正壓氣路的時(shí)間和接通一次負(fù)壓氣路的時(shí)間，從而滿足面板所設(shè)定的I/E值。
在通氣頻率f和吸呼時(shí)間比I/E確定后，轉(zhuǎn)子307接通一次正壓氣路的時(shí)間和接通一次負(fù)壓氣路的時(shí)間即已確定，根據(jù)面板設(shè)定的壓力波形狀或由PC機(jī)輸入的預(yù)期壓力波形狀，微機(jī)經(jīng)過接口電路向驅(qū)動(dòng)電路108-1提供電機(jī)108-2和轉(zhuǎn)子307在接通正壓氣路時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律和接通負(fù)壓氣路時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，以獲得預(yù)期的壓力波形狀。
在通氣頻率f，吸呼時(shí)間比I/E，氣道平均壓力P和壓力波形狀都確定的條件下，流量的確定就唯一地確定了上述振蕩氣流壓力波的幅值。根據(jù)面板設(shè)定的供氣體積流量率，即每分鐘供氣體積，與測(cè)量系統(tǒng)112的流量傳感器所測(cè)得的實(shí)際體積流量率在微機(jī)中比較，根據(jù)比較結(jié)果，微機(jī)通過接口電路調(diào)節(jié)調(diào)壓閥103-3或104-2。直至測(cè)量系統(tǒng)112的體積流量率實(shí)測(cè)值等于面板設(shè)定值為止。至此，呼吸機(jī)已按預(yù)定的條件運(yùn)行通氣。在本發(fā)明的呼吸機(jī)如上運(yùn)行通氣時(shí)，利用呼吸閥108-3的轉(zhuǎn)子307所造成的短時(shí)全閉塞態(tài)，測(cè)量系統(tǒng)112中的壓力傳感器可以感受來自受體的任何(規(guī)則或不規(guī)則的)有一定強(qiáng)度的自主呼吸信號(hào)，一旦受體的自主呼吸信號(hào)出現(xiàn)并被捕獲，本發(fā)明的呼吸機(jī)將自動(dòng)切換到常規(guī)通氣模式。由于本發(fā)明呼吸機(jī)是以高頻方式工作的，所以對(duì)這種自主呼吸信號(hào)的捕獲幾乎是實(shí)時(shí)的，不會(huì)出現(xiàn)任何的不跟隨現(xiàn)象。
在捕獲了自主呼吸信號(hào)后，本發(fā)明的呼吸機(jī)即切換為常規(guī)通氣模式運(yùn)行，這時(shí)，微機(jī)經(jīng)過接口電路使調(diào)壓閥109-2與大氣接通，而呼吸機(jī)根據(jù)面板設(shè)定的每分鐘供氣體積流量率與測(cè)量系統(tǒng)112所測(cè)得的實(shí)際體積流量率之差，由正壓氣路向受體供氣和由負(fù)壓氣路輔助排氣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)受體呼吸的部分支持，極大地減小受體呼吸功的消耗。隨著自主呼吸的增強(qiáng)，本發(fā)明呼吸機(jī)的部分支持(補(bǔ)充供氣量)逐步自動(dòng)減少，直至受體完全恢復(fù)自主呼吸而實(shí)現(xiàn)脫機(jī)。
對(duì)于需要較高氧濃度的供氣情況，可以由面板設(shè)定任意大于21%(大氣含氧濃度)的氧濃度數(shù)值，由供氧旁路系統(tǒng)向供氣氣流加入所需的氧氣量，同時(shí)，調(diào)整有關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以保持其他參數(shù)與面板設(shè)定值一致。
對(duì)于需要?dú)獾榔骄鶋毫不等于大氣壓的情況，臨床醫(yī)生可以利用微機(jī)控制的調(diào)壓閥109-1和調(diào)壓閥109-3來設(shè)置預(yù)期的任意氣道平均壓力，同時(shí)保證振蕩通氣氣流具有高于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱恼岛偷陀诋?dāng)?shù)卮髿鈮旱呢?fù)幅值。
本發(fā)明的高頻振蕩呼吸機(jī)的控制系統(tǒng)，包括主機(jī)116-1，它可用80286或兼容機(jī)等PC機(jī)，它本身配置有40M硬盤一臺(tái)，1.2M軟驅(qū)一臺(tái)，360K軟驅(qū)一臺(tái)，2MRAM內(nèi)存，RS-232(或RS-422)串口兩個(gè)，CENTRONIC并行口一個(gè)，101鍵盤一個(gè)，彩色顯示器800×600一臺(tái)，24針行式打印機(jī)一臺(tái)。主機(jī)通過電纜分別與鍵盤、彩色顯示器，行式打印機(jī)以及從機(jī)1，從機(jī)2相連。主機(jī)是增強(qiáng)型高頻呼吸機(jī)的人機(jī)介面接口，操作人員通過主機(jī)對(duì)呼吸機(jī)進(jìn)行管理，人可通過它了解呼吸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及結(jié)果，并可將操作人員感興趣的運(yùn)行狀態(tài)(或過程)，存檔、分析、綜合、比較。從機(jī)1和從機(jī)2分別由單片機(jī)為核心構(gòu)成，它們是高頻呼吸機(jī)的控制部件，兩者用電纜相連，并用電纜與主機(jī)相連，兩從機(jī)有共享存貯區(qū)，通過共享存貯區(qū)及并行口通訊技術(shù)，兩從機(jī)可以直接的、高速的交換信息，兩從機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)形式，都采用符合STD標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出通道擴(kuò)展板、輸入/輸出板、主板。輸入/輸出通道擴(kuò)展板有模擬量的輸入/輸出通道擴(kuò)展、數(shù)字量的輸入/輸出擴(kuò)展，輸入/輸出板上有調(diào)理電路、D/A及功放電路、驅(qū)動(dòng)電路。主板上有串行口，A/D接口，CPU、ROM、RAM、共享區(qū)RAM。并將上述這些模板插入總線槽中，彼此聯(lián)接。從機(jī)通過上述線路接口進(jìn)行模擬量、數(shù)字量的交換來測(cè)量、比較、顯示、傳遞達(dá)到控制本發(fā)明的全過程支持的高頻振蕩呼吸機(jī)的整個(gè)工作過程。上述為增強(qiáng)型控制系統(tǒng)，若沒有主機(jī)的控制系統(tǒng)則為普通型。
圖4是本發(fā)明的全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的控制流程圖。本機(jī)面板設(shè)有高頻呼吸所需參數(shù)設(shè)置量，它們是呼吸頻率fH(次/分鐘)，吸呼比IH/EH，進(jìn)氣量QVHS(升/分鐘)即流量，氣道平均壓力P，供氧百分濃度FiLO2;高頻工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間L;并設(shè)有低頻呼吸所需參數(shù)設(shè)置量，它們是呼吸頻率fL(次/分鐘)，吸呼比IL/EL，呼氣末的壓力PL，觸發(fā)精度±PLS，進(jìn)氣量QVLS即流量，等待時(shí)間TW(秒)以及預(yù)存的壓力波形狀。
打開本發(fā)明的呼吸機(jī)，旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥108-3處于全截止閉塞狀態(tài)，計(jì)算機(jī)接收到從面罩前的測(cè)量系統(tǒng)112的壓力傳感器測(cè)得的面罩負(fù)壓PLM值后，將PLM與低頻呼吸面板上設(shè)置的觸發(fā)精度±PLS相比較，若其差值△P＝PLM-PLS＞0則判斷M-1(由等待時(shí)間TW計(jì)算出M值)，是否大于或等于零，若M-1＞0，返回繼續(xù)測(cè)量面罩負(fù)壓，若M-1＜0，則計(jì)算機(jī)將PLM與設(shè)置的高頻呼吸板上的氣道平均壓力P相減，若其差值的絕對(duì)值｜△P｜=｜PLM-PH｜＞3mmH2O，則自動(dòng)調(diào)整正壓氣路或負(fù)壓氣路上的調(diào)壓閥，若｜△P｜≤3mmH2O則計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按算得的轉(zhuǎn)速使旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，也即呼吸閥工作，呼吸機(jī)處于供氣即吸氣狀態(tài)。開始計(jì)時(shí)t＝tH1，同時(shí)測(cè)量并調(diào)節(jié)氧氣濃度、氣體的溫度、濕度，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量氣體瞬時(shí)流量QVHM，計(jì)算瞬時(shí)流量的累積流量∑QVHM，并將此累積流量與設(shè)置流量QVHS相減，當(dāng)△Q＝∑QVHM-QVHS＜0時(shí)，則繼續(xù)執(zhí)行正壓氣路調(diào)節(jié)和供氣工作，當(dāng)△Q≥0時(shí)，旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥關(guān)閉，又處于全截止閉塞狀態(tài)，這時(shí)計(jì)算機(jī)根據(jù)面板設(shè)置的頻率fH及吸呼時(shí)間比IH/EH，計(jì)算出τHI，τHE，讀計(jì)時(shí)器的時(shí)間t＝tH2，算出(tH2-tH1)-τHI，若其差值小于零，則繼續(xù)等待，若此差值大于零，則呼吸閥與負(fù)壓氣路相通，為呼氣狀態(tài)，計(jì)算機(jī)通過測(cè)量氣體的瞬時(shí)流量QVHM及它的累計(jì)流量∑QVHM的信號(hào)，并將累積流量與設(shè)置流量進(jìn)行相減，若其△Q＝∑QVHM-QVHS＜0則繼續(xù)執(zhí)行負(fù)壓氣路調(diào)節(jié)和供氣工作，若△Q≥0，則關(guān)閉呼吸閥。呼吸閥又處于全截止閉塞狀態(tài)，至此完成了高頻振蕩氣流的一個(gè)呼吸周期。這樣反復(fù)運(yùn)行。下一個(gè)周期同樣測(cè)量面罩負(fù)壓PLM，當(dāng)△P＝PLM-PLS＜0時(shí)，則返至低頻常規(guī)控制電路，當(dāng)△P≥0時(shí)，讀計(jì)時(shí)器t＝tH3，當(dāng)(tH3-tH2)-τHE＜0，則繼續(xù)執(zhí)行測(cè)量、判斷面罩負(fù)壓程序，當(dāng)(tH3-tH2)-τHE≥0時(shí)，計(jì)算機(jī)判斷L-1的情況，若L-1＜0則返回執(zhí)行測(cè)量面罩負(fù)壓值程序，若L-1＞0，則繼續(xù)執(zhí)行上述的高頻振蕩呼吸循環(huán)。L是預(yù)先人為設(shè)置的高頻呼吸工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，當(dāng)這個(gè)時(shí)間結(jié)束，則檢查受體病人是否有自主呼吸發(fā)生。
當(dāng)面罩負(fù)壓值PLM與觸發(fā)精度PLS之差小于零，則執(zhí)行低頻常規(guī)呼吸程序，此時(shí)計(jì)算機(jī)檢查判斷受體病人呼氣末的平均壓力PL的狀態(tài)，若PL＝0則打開自主呼吸旁路，通大氣。若PL≠0，計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)線路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使呼吸閥旋轉(zhuǎn)，與正壓氣路相通，此時(shí)呼吸機(jī)處于低頻供氣狀態(tài)，并開始計(jì)時(shí)t＝tL1，根據(jù)需要調(diào)節(jié)并測(cè)量瞬時(shí)進(jìn)氣流量QVLM，計(jì)算累計(jì)流量∑QVLM，并計(jì)算∑QVLM與設(shè)置流量QVLS二者相差，若△Q＝∑QVLM-QVLS≤0，則計(jì)算機(jī)繼續(xù)測(cè)量、調(diào)節(jié)正壓氣路，以補(bǔ)充供給受體一定量的氣體，若∑QVLM-QVLS＞0，則呼吸閥關(guān)閉，處于全截止閉塞狀態(tài)，這時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)跟蹤的前次的呼吸頻率即fLi＝fLi-1及低頻呼吸面板設(shè)置的吸呼比IL/EL來計(jì)算出τI，τE，然后從計(jì)時(shí)器上取值tL2，計(jì)算出(tL2-tL1)-τI，若(tL2-tL1)-τI＜0，則繼續(xù)計(jì)時(shí)等待，若(tL2-tL1)-τI≥0，則命令調(diào)壓閥109-2與大氣相通。接著又是測(cè)量面罩負(fù)壓PLM，并將PLM與PL相減，若△P＝PLM-PL＞0繼續(xù)測(cè)量面罩負(fù)壓，若△P＝PLM-PL≤0，則關(guān)閉呼吸閥，讀計(jì)時(shí)器t＝tL3，計(jì)算(tL3-tL2)-τE，若此差佬小于零，則繼續(xù)計(jì)時(shí)等待，若大于或等于零，則返回測(cè)量面罩負(fù)壓，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)判斷。
本發(fā)明呼吸機(jī)在運(yùn)行過程中，醫(yī)生可根據(jù)需要隨時(shí)修改所設(shè)置的高頻呼吸、低頻呼吸參數(shù)，且修改完后，呼吸機(jī)按修改后的參數(shù)運(yùn)行。
按照上述原理、方法和技術(shù)方案所實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明呼吸機(jī)，經(jīng)動(dòng)物試驗(yàn)證明可以在氣道平均壓力為大氣壓的條件下，實(shí)現(xiàn)充分的供氣與排氣，具有迅速改變血?dú)夥治鼋Y(jié)果的能力;其通氣過程既不依賴于受體呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性，也不損害受體呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性;呼吸功的消耗幾乎為零;且可以方便的實(shí)現(xiàn)高頻-常規(guī)的自動(dòng)切換和部分支持，從而實(shí)現(xiàn)安全脫機(jī)。因此，本發(fā)明為臨床救治呼吸衰竭提供了一種使用方便的可以實(shí)現(xiàn)全過程支持的新型呼吸支持裝置及這種裝置的設(shè)計(jì)方法，且具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖1 本發(fā)明的增強(qiáng)型全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的總體框圖101正壓氣源102負(fù)壓氣源103穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)104負(fù)壓氣路上的穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)105氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)106負(fù)壓氣路上的氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)107氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)108旋轉(zhuǎn)式呼吸閥系統(tǒng)109旁路系統(tǒng)110過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)111呼吸氣路上的氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)112呼吸氣路上的氣流參數(shù)測(cè)量系113接口114從機(jī)1115從機(jī)2116PC機(jī)系統(tǒng)圖2 本發(fā)明呼吸機(jī)的氣路各部件連接圖101 正壓氣源110-2過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)103-1穩(wěn)壓室105-1氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)107-3氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)中的氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)107-2調(diào)壓閥107-1氧氣源103-2穩(wěn)壓室
103-3調(diào)壓閥107-4加溫器107-5加濕器107-6加溫器105-2氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)108-3旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥109-1調(diào)壓閥102 負(fù)壓氣源110-1負(fù)壓氣路上的過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)104-1負(fù)壓氣路上的穩(wěn)壓室104-2負(fù)壓氣路上的調(diào)壓室106 負(fù)壓氣路上的氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)109-3調(diào)壓閥109-2調(diào)壓閥111-1靜電除塵器110-3呼吸氣路上和過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)111-2醫(yī)用過濾器112 呼吸氣路上的氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)108-1驅(qū)動(dòng)電路108-2電機(jī)108-4光電測(cè)量定位裝置圖3 旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥的結(jié)構(gòu)圖301定位盤302閥體303上靜子304下靜子305傳動(dòng)銷306彈簧307轉(zhuǎn)子
308光電管309點(diǎn)光源310轉(zhuǎn)子軸圖4 從機(jī)的結(jié)構(gòu)形式圖5 微機(jī)控制流程圖
權(quán)利要求
1.一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器，其特征在于設(shè)計(jì)方法為(1)受體(人或哺乳動(dòng)物)氣道內(nèi)平均壓力的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，也就是生理呼吸時(shí)受體氣道內(nèi)的平均壓力；(2)以上述基準(zhǔn)壓力為基礎(chǔ)，在受體氣道內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)振蕩通氣氣流，這個(gè)振蕩通氣氣流是一個(gè)有間斷的雙向的交變流動(dòng)而不是一個(gè)單向的脈動(dòng)流動(dòng)；(3)上述振蕩通氣氣流的振蕩頻率即為本發(fā)明呼吸機(jī)的通氣頻率，即一吸一呼的總時(shí)間等于振蕩通氣氣流的振蕩周期；(4)上述振蕩通氣氣流在一個(gè)呼吸周期中的單向累積體積流量即為潮氣量VT，其值等于每次呼吸的體積吸氣量；(5)吸氣相的累積體積流量恒等于呼氣相的累積體積流量；(6)每分鐘的通氣體積流量Q，潮氣量VT和振蕩通氣頻率f依下述關(guān)系確定Q(升/分鐘)=VT(升/每次)×fm(次/分鐘)其中m在實(shí)數(shù)域中，取值范圍為(0，1]；(7)上述振蕩通氣氣流的吸氣半周期通常不等于呼氣半周期，即吸氣相的持續(xù)時(shí)間通常不等于呼氣相的持續(xù)時(shí)間；(8)上述振蕩通氣氣流的吸氣相壓力波形狀通常不同于呼氣相壓力波形狀；(9)上述振蕩通氣氣流的壓力波的幅值在吸氣相與呼氣相具有相反的正負(fù)號(hào)(相對(duì)于基準(zhǔn)壓力)，其幅值的絕對(duì)值通常不相等；(10)上述振蕩通氣氣流的基準(zhǔn)壓力可以設(shè)置為不等于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱钠渌?，但這個(gè)振蕩氣流的壓力波幅值在吸氣相和呼氣相相對(duì)于當(dāng)?shù)卮髿鈮憾钥偸蔷哂邢喾吹恼?fù)號(hào)；(11)依人為的規(guī)定條件，控制系統(tǒng)使氣路定時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，以獲取自主呼吸信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高頻-常頻的自動(dòng)切換。
2.一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器，其特征在于儀器由正壓氣路、正壓旁路、負(fù)壓氣路、負(fù)壓旁路、自主呼吸旁路、呼吸氣路、旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所說的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器，其儀器的氣路特征在于由通大氣的正壓氣源101出發(fā)，用管道順次連接過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)110-2、穩(wěn)壓室103-1、氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)105-1、經(jīng)過一個(gè)三通，一端與氣體質(zhì)量保障系統(tǒng)中的氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)107-3、調(diào)壓閥107-2和氧氣源107-1相連，另一端用管道順次連接穩(wěn)壓室103-2、調(diào)壓閥103-3、加溫器107-4、加濕器107-5、加溫器107-6和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)105-2;隨后，經(jīng)三通的一端用管道與旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥108-3中的正壓氣路接口相連，從而構(gòu)成正壓氣路;經(jīng)三通的另一端由管道與調(diào)壓閥109-1相連，調(diào)壓閥109-1的另一接口由管道與自旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥108-3至受體氣道的呼吸氣路上的五通接口相連，從而構(gòu)成正壓旁路;由負(fù)壓氣源102出發(fā)，用管道順次連結(jié)過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)110-1、穩(wěn)壓室104-1、調(diào)壓閥104-2和氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)106，經(jīng)由三通接頭，一端用管道與旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥108-3中的負(fù)壓氣路接口相連構(gòu)成負(fù)壓氣路;經(jīng)三通的另一端由管道與調(diào)壓閥109-3相連，調(diào)壓閥109-3的另一接口由管道與自旋轉(zhuǎn)式呼吸閥至受體氣道的呼吸氣路上的五通接口相連，從而構(gòu)成負(fù)壓旁路;上述五通接口的第四端由管道與調(diào)壓閥109-2相連，調(diào)壓閥109-2的另一接口直通大氣，從而構(gòu)成通大氣的自主呼吸旁路;由五通接口的第五端出發(fā)，用管道順次連接靜電除塵器111-1、過壓警告與保護(hù)系統(tǒng)112、直至受體氣道的插管，構(gòu)成呼吸氣路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器，其特征在于該儀器的旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥108-3由定位盤301，閥體302，上靜子303，下靜子304，傳動(dòng)軸305，彈簧306，轉(zhuǎn)子307，光電管308，點(diǎn)光源309和轉(zhuǎn)子軸310等組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器中的旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥，其特征在于閥體302上設(shè)有正壓氣路接口N，負(fù)壓氣路接口M和呼吸氣路接口P。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器中的旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥108-3，其特征在于轉(zhuǎn)子307呈圓盤狀，其上有n個(gè)孔(n為正整數(shù)，取2～10)n個(gè)孔的總面積等于氣路的截面
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器中的旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥，其特征在于上靜子303和下靜子304上各有2n個(gè)孔，呈對(duì)稱均勻分布，上靜子303和下靜子304分置于閥體302內(nèi)上下兩端，并且使二者的2n個(gè)孔相互對(duì)齊。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器中的旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥，其特征在于轉(zhuǎn)子307被夾持在上靜子303與下靜子304之間，并自由轉(zhuǎn)動(dòng)，由彈簧306保持兩個(gè)靜子的端面與轉(zhuǎn)子307的端面密切貼合。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器中的旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥，其特征在于它有一個(gè)圓心角為0.01度～10度的截止區(qū)，在這個(gè)截止區(qū)，該呼吸閥呈現(xiàn)短時(shí)的閉塞狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所說的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器中的旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥，其特征在于定位盤301上開有若干個(gè)透光的徑向狹縫或小孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所說的一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器中的儀器，其特征在于當(dāng)呼吸閥旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用呼吸閥及其他氣路機(jī)構(gòu)所造成的短時(shí)的定時(shí)的氣路全閉塞狀態(tài)來準(zhǔn)實(shí)時(shí)的獲取自主呼吸信號(hào)，以完成高頻-常規(guī)自動(dòng)切換和對(duì)受體呼吸的部分支持。
全文摘要
一種全過程支持的正負(fù)壓高頻振蕩呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)方法與儀器，其核心是取一個(gè)呼吸周期中受體氣道內(nèi)的平均壓力等于當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤鳛樵O(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)，用正、負(fù)壓氣路，各種旁路，旋轉(zhuǎn)式多路雙向正負(fù)壓呼吸閥為手段，在受體氣道內(nèi)由呼吸機(jī)人為地造成一個(gè)振蕩氣流(不是脈動(dòng)氣流)；用多機(jī)并行控制系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明呼吸機(jī)進(jìn)行控制和自動(dòng)切換。本發(fā)明的呼吸機(jī)可以從根本上保證受體氣道平均壓力等于當(dāng)?shù)卮髿鈮海鼩馀c呼氣均不依賴受體呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性，無需受體付出呼吸功，確保充分的吸氣與呼氣，從而具有迅速的改變血?dú)夥治龅哪芰Γ⒖蓪?shí)現(xiàn)全過程的支持。
文檔編號(hào)A61H31/00GK1074620SQ92102578
公開日1993年7月28日 申請(qǐng)日期1992年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月18日
發(fā)明者趙令德, 曹玉璋, 朱定國 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)