本筆記內容整理自李潔《基於μC_OS的呼吸機軟件關鍵技術研究與系統設計》碩士論文。
概念參數
- 呼吸頻率
根據接受到的呼吸觸發數據計算得到，從一個吸氣觸發進入下一個吸氣觸發的時間即為一次完整的呼吸時間，其倒數即為呼吸頻率。正常成年人每分鍾呼吸大約12-20次。
- 潮氣量
潮氣量（Tidal volume,TV）是指平靜呼吸時每次吸入或呼出的氣體容量。它的大小與用戶的呼吸能力、氣道阻力以及呼吸機預設的氣道壓力有關。設定的潮氣量通常指吸入氣量。潮氣量的設定並非恆定，應根據病人的血氣分析進行調整。正常情況下：成人：8-10ml/kg， 小兒：6-10ml/kg。
- 分鍾通氣量
分鍾通氣量(minuteventilationKE)即肺通氣量(pulmonary ventilation):是平靜呼吸時每分鍾吸入或呼出的氣量。分鍾通氣量等於潮氣量與呼吸頻率的乘積。正常成年人平靜呼吸時，呼吸頻率為每分鍾12〜18次，潮氣量為500ml,則分鍾通氣量約為6〜9L。
- 低通氣
吸過程中的分鍾通氣量和潮氣量是判斷低通氣的重要依據。設定5-7ml/kg則判定為低通氣報警。
- 呼吸暫停
呼吸機中判斷呼吸暫停的方法是監測壓力、流量信號是否存在明顯波動。
- 呼氣終末正壓PEEP
呼氣終末正壓 （Positive end-expiratory pressure：PEEP）是在應用呼吸機時，於呼氣末期在呼吸道仍然保持一定正壓（通常只在吸氣時用正壓，呼氣時壓力降至零），避免肺泡早期閉合，使一部分因滲出、肺不張等原因失去通氣功能的肺泡擴張，使減少的功能殘氣量增加，達到提高血氧的目的。PEEP與間歇正壓呼吸有相似之處，但由於作用時間更長，因此對呼吸、循環系統的影響范圍更大。
呼吸機通氣模式
從整體大致分為定容型和定壓型兩種。
定壓型通氣模式指當壓力達到預定數值后,吸氣過程保證壓力不變。其潮氣量容易受氣道阻力及肺順應性的影響,適用於有一定自主呼吸病情較低的患者。
定容型通氣模式按照預定的潮氣量供氣,保證通氣量穩定,受氣道阻力及肺順應性影響小、適用於氣道阻力大經常變動或無自主呼吸的患者。
定壓型呼吸機，廣泛使用於二十世紀四、五十年代,即呼吸機在吸氣時產生氣流升高氣道壓力到預設的治療壓力水平並保持不變,當達到觸發條件時,呼吸機停止送氣開始進入呼氣相,例如壓力控制通氣(PCV),壓力支持通氣(PSV),其通氣缺點是不能提供穩定的潮氣量,同時因監測技術落后,也不能保證氣道內壓力的穩定。定容型呼吸機在吸氣時產生氣流送入氣道,當預定的潮氣量輸送完畢,呼吸機停止送氣,進入呼氣過程,例如容量控制通氣(VCV)量支持通氣(VSV),提供穩定的潮氣量,保證通得病人順利呼出氣體,防止因氣道塌陷、閉合造成憋氣等危險情況。
無創正壓呼吸機是市場上應用最為廣泛的家用睡眠呼吸機。根據用戶的不同需求,無創正壓呼吸機治療模式有持續氣道正壓(CPAP)通氣,自動持續正壓通氣(APAP)和雙水平氣道正壓通氣(BIPAP31)其中, CPAP和APAP都屬於定壓型呼吸機,而BIPAP根據壓力轉換方式可以分為定壓型和定容型兩種。
CPAP模式
CPAP是最常見的通氣模式,呼吸機持續不間斷地產生穩定的壓力氣流,治療效果可靠,應用廣泛,適合大部分呼吸暫停綜合症的患者。
恆定正壓氣流壓力需大於人體自主吸氣氣流壓力,保證吸氣時潮氣量上升,吸氣省力,使得病人自覺舒適;在呼氣時的氣道內仍提供正壓通氣,起到PEEP的作用,撐開氣道使治療順應性,在用戶呼氣觸發時開始降低風機轉速,並在吸氣觸發后恢復到正常轉速。
瑞思邁s8系列呼吸機特有的EPR (Expiratory Pressure Relief)呼吸壓力釋放技術提高了CPAP呼吸機的氣量穩定，但是受氣道阻力和肺順應性影響較大,容易產生高氣壓傷。
另外, EPR兼具自動“超時”功能,根據用戶的平均呼吸流量基線監測用戶的低通氣或呼吸暫停狀態。當用戶的呼吸流量下降到25%的時間超過10s, EPR停止;當呼吸流量返回在正常范圍時, EPR恢復。
瑞思邁 S10具有內置傳感器，可以檢測患者的呼吸。當個人呼氣時，CPAP機器會通過將輸送的氣壓降低一定量來做出響應。當再次檢測到吸氣時，機器會將壓力升高回規定的設置。這被稱為EPR或呼氣壓力釋放。
瑞思邁 S10具有四個EPR設置：0-3。設為0時，泄壓功能關閉。在3時，氣壓降低3 cmH2O。例如，如果患者的 CPAP 設置為10 cmH2O，且EPR為3，則呼氣時的氣壓會降低到7 cmH2O。一旦檢測到吸氣，氣壓就會回升至10。
如果患者仍呼吸困難，並且EPR設置為最大設置，則可能需要BiPAP治療。
APAP模式
自動持續正壓呼吸機APAP的工作原理與CPAP相同,只是在治療過程中呼吸機會根據監測到的壓力和通氣量變化自動調整治療壓力。當出現低通氣或者呼吸暫停時,APAP呼吸機自動升高壓力,直至低通氣或者呼吸暫停情況消失,壓力恢復至原來的水平,如圖2-5所示,方框內表示監測到低通氣發生,系統升高治療壓力,當低通氣消失后,回到原來的壓力水平。
BIPAP模式
BIPAP是提供兩個壓力水平的呼吸機,如圖2-6所示,在吸氣相時輸出較高壓力確保呼吸道通暢,在呼氣相時輸出較低壓力以減少人機對抗,提高用戶舒適度。
呼吸狀態的判斷是影響雙水平壓力呼吸機性能的關鍵,要求判斷准確而迅速。呼吸機的狀態轉換識別過程,稱為呼吸觸發,包括從吸氣狀態到呼氣狀態的轉換和從呼氣狀態到吸氣狀態的轉換。睡眠呼吸機的觸發方式有時間觸發和自主觸發兩種方法,而自主觸發又包括壓力觸發、流速觸發和流量觸發,具體定義如表2.3所示:
根據不同的呼吸觸發方式, BIPAP呼吸機有三種工作模式: S-Mode, T-Mode和S/T-Mode。
S-Mode表示呼吸機帶有呼吸觸發功能,輸出的壓力水平隨着用戶的呼吸狀態變化而改變；
T-Mode的工作原理是呼吸機根據系統設定的呼吸頻率改變風機轉速,調整輸出壓力；
S/T-Mode即S-Mode和T-Mode的互相轉換,當用戶存在自主呼吸時系統采用S-Mode,若在一段時間內持續沒有檢測到呼吸觸發,則認為用戶的呼吸微弱,系統自動轉換為T-Mode。它們的對應關系如表2.4所示:
雙水平壓力通氣的另一設計重點在於壓力釋放,能夠提高呼吸機治療的順應性和舒適性。
美國偉康公司擁有Flex壓力釋放技術,包塊C-Flex壓力釋放、A-Flex壓力釋放和Bi-Flex雙水平壓力釋放:
1,壓力釋放技術C-Flex
C-Flex壓力釋放技術是在檢測到呼氣開始時立刻降低壓力到PEEP,減少人機對抗,在檢測到吸氣開始時候又立刻上升為治療壓力,保證了患者在治療過程中的舒適度。壓力釋放水平即治療壓力與PEEP的壓差值,需要根據患者的呼氣氣流來設置,同時需要利用數字自動追蹤技術來捕捉用戶的呼吸觸發點；
2,雙水平壓力釋放技術Bi-Flex
Bi-Flex雙水平壓力釋放技術在吸氣達到峰值時即開始進行壓力釋放,直到呼氣末或者達到PEEP的水平。追蹤每一次呼吸狀態,在吸氣過程中,隨着吸氣時間的推進而降低治療壓力,使治療更接近自然呼吸。雙水平壓力釋放技術在呼吸周期的三個關鍵點釋放壓力:呼氣期、呼氣向吸氣轉換時刻以及吸氣到呼氣轉換時刻。
3, 自動壓力釋放技術設計A-Flex
A-Flex設計用於與臨床驗證的Auto CPAP算法相結合,使呼吸機輸出的治療壓力與用戶整個呼吸周期的壓力相匹配,從而使治療更為舒適。從吸氣到呼氣轉換的過程類似Bi-Flex, A-Flex輸出的壓力柔和,吸氣過程類似C-Flex, A-Flex在吸氣開始時提供基於流量的壓力釋放;提高了Auto CPAP模式的舒適度。
BIPAP呼吸機是目前治療功能最全面的睡眠呼吸機,具有呼吸自主觸發功能,能夠實現壓力與用戶的呼吸狀態同步,給用戶提供良好的舒適度治療。
性能和安全要求
結合睡眠呼吸機功能設計,參考醫學設備安全通用要求GB9706.1-20071251、醫用呼吸機基本安全和主要性能專用要求YY0600.1-2007126]的第1部分家用呼吸支持設備要求、中華人民共和國醫葯行業標准YY0671.1-2009和YY0709-2009等專業資料,論文中設計的家用睡眠呼吸機指標如下:
1,呼吸機的使用環境要求:溫度10-40℃,相對濕度不大於80%,大氣壓強700-1060hPa
2,呼吸機的工作模式及功能: CPAP, APAP, BIPAP (S-Mode, T-Mode, S/T-Mode),呼吸自動觸發(壓力觸發、流量觸發) ,報警功能(超壓、低通氣、呼吸暫停)。
3,輸出壓力:吸氣壓(IPAP) 4-20 cmH20,呼氣壓(EPAP) 4-18 cmH20,調節步距≤0.5 cmH20,壓力觸發靈敏度在-0.5 cmH20--2 cmH20,氣道壓力上/下限報警可調范圍30-50 cmH20 (上限)和0-10 cmH20 (下限),延時升壓時間:為0min-40min,調節步距應為5min
4·輸出流量:流量觸發靈敏度為1-3L/min,最大輸出流量應不小於40L/min.
5,呼吸參數:呼吸頻率為5次/min-40次/min,吸氣時間一般為0.5s-3s,呼吸比分為1:1,2:3,1:2三檔,分鍾通氣量上限為30L/min,潮氣量范圍0-4L.
附錄
