本笔记内容整理自李洁《基于μC_OS的呼吸机软件关键技术研究与系统设计》硕士论文。
概念参数
- 呼吸频率
根据接受到的呼吸触发数据计算得到，从一个吸气触发进入下一个吸气触发的时间即为一次完整的呼吸时间，其倒数即为呼吸频率。正常成年人每分钟呼吸大约12-20次。
- 潮气量
潮气量（Tidal volume,TV）是指平静呼吸时每次吸入或呼出的气体容量。它的大小与用户的呼吸能力、气道阻力以及呼吸机预设的气道压力有关。设定的潮气量通常指吸入气量。潮气量的设定并非恒定，应根据病人的血气分析进行调整。正常情况下：成人：8-10ml/kg， 小儿：6-10ml/kg。
- 分钟通气量
分钟通气量(minuteventilationKE)即肺通气量(pulmonary ventilation):是平静呼吸时每分钟吸入或呼出的气量。分钟通气量等于潮气量与呼吸频率的乘积。正常成年人平静呼吸时，呼吸频率为每分钟12〜18次，潮气量为500ml,则分钟通气量约为6〜9L。
- 低通气
吸过程中的分钟通气量和潮气量是判断低通气的重要依据。设定5-7ml/kg则判定为低通气报警。
- 呼吸暂停
呼吸机中判断呼吸暂停的方法是监测压力、流量信号是否存在明显波动。
- 呼气终末正压PEEP
呼气终末正压 （Positive end-expiratory pressure：PEEP）是在应用呼吸机时，于呼气末期在呼吸道仍然保持一定正压（通常只在吸气时用正压，呼气时压力降至零），避免肺泡早期闭合，使一部分因渗出、肺不张等原因失去通气功能的肺泡扩张，使减少的功能残气量增加，达到提高血氧的目的。PEEP与间歇正压呼吸有相似之处，但由于作用时间更长，因此对呼吸、循环系统的影响范围更大。
呼吸机通气模式
从整体大致分为定容型和定压型两种。
定压型通气模式指当压力达到预定数值后,吸气过程保证压力不变。其潮气量容易受气道阻力及肺顺应性的影响,适用于有一定自主呼吸病情较低的患者。
定容型通气模式按照预定的潮气量供气,保证通气量稳定,受气道阻力及肺顺应性影响小、适用于气道阻力大经常变动或无自主呼吸的患者。
定压型呼吸机，广泛使用于二十世纪四、五十年代,即呼吸机在吸气时产生气流升高气道压力到预设的治疗压力水平并保持不变,当达到触发条件时,呼吸机停止送气开始进入呼气相,例如压力控制通气(PCV),压力支持通气(PSV),其通气缺点是不能提供稳定的潮气量,同时因监测技术落后,也不能保证气道内压力的稳定。定容型呼吸机在吸气时产生气流送入气道,当预定的潮气量输送完毕,呼吸机停止送气,进入呼气过程,例如容量控制通气(VCV)量支持通气(VSV),提供稳定的潮气量,保证通得病人顺利呼出气体,防止因气道塌陷、闭合造成憋气等危险情况。
无创正压呼吸机是市场上应用最为广泛的家用睡眠呼吸机。根据用户的不同需求,无创正压呼吸机治疗模式有持续气道正压(CPAP)通气,自动持续正压通气(APAP)和双水平气道正压通气(BIPAP31)其中, CPAP和APAP都属于定压型呼吸机,而BIPAP根据压力转换方式可以分为定压型和定容型两种。
CPAP模式
CPAP是最常见的通气模式,呼吸机持续不间断地产生稳定的压力气流,治疗效果可靠,应用广泛,适合大部分呼吸暂停综合症的患者。
恒定正压气流压力需大于人体自主吸气气流压力,保证吸气时潮气量上升,吸气省力,使得病人自觉舒适;在呼气时的气道内仍提供正压通气,起到PEEP的作用,撑开气道使治疗顺应性,在用户呼气触发时开始降低风机转速,并在吸气触发后恢复到正常转速。
瑞思迈s8系列呼吸机特有的EPR (Expiratory Pressure Relief)呼吸压力释放技术提高了CPAP呼吸机的气量稳定，但是受气道阻力和肺顺应性影响较大,容易产生高气压伤。
另外, EPR兼具自动“超时”功能,根据用户的平均呼吸流量基线监测用户的低通气或呼吸暂停状态。当用户的呼吸流量下降到25%的时间超过10s, EPR停止;当呼吸流量返回在正常范围时, EPR恢复。
瑞思迈 S10具有内置传感器，可以检测患者的呼吸。当个人呼气时，CPAP机器会通过将输送的气压降低一定量来做出响应。当再次检测到吸气时，机器会将压力升高回规定的设置。这被称为EPR或呼气压力释放。
瑞思迈 S10具有四个EPR设置：0-3。设为0时，泄压功能关闭。在3时，气压降低3 cmH2O。例如，如果患者的 CPAP 设置为10 cmH2O，且EPR为3，则呼气时的气压会降低到7 cmH2O。一旦检测到吸气，气压就会回升至10。
如果患者仍呼吸困难，并且EPR设置为最大设置，则可能需要BiPAP治疗。
APAP模式
自动持续正压呼吸机APAP的工作原理与CPAP相同,只是在治疗过程中呼吸机会根据监测到的压力和通气量变化自动调整治疗压力。当出现低通气或者呼吸暂停时,APAP呼吸机自动升高压力,直至低通气或者呼吸暂停情况消失,压力恢复至原来的水平,如图2-5所示,方框内表示监测到低通气发生,系统升高治疗压力,当低通气消失后,回到原来的压力水平。
BIPAP模式
BIPAP是提供两个压力水平的呼吸机,如图2-6所示,在吸气相时输出较高压力确保呼吸道通畅,在呼气相时输出较低压力以减少人机对抗,提高用户舒适度。
呼吸状态的判断是影响双水平压力呼吸机性能的关键,要求判断准确而迅速。呼吸机的状态转换识别过程,称为呼吸触发,包括从吸气状态到呼气状态的转换和从呼气状态到吸气状态的转换。睡眠呼吸机的触发方式有时间触发和自主触发两种方法,而自主触发又包括压力触发、流速触发和流量触发,具体定义如表2.3所示:
根据不同的呼吸触发方式, BIPAP呼吸机有三种工作模式: S-Mode, T-Mode和S/T-Mode。
S-Mode表示呼吸机带有呼吸触发功能,输出的压力水平随着用户的呼吸状态变化而改变；
T-Mode的工作原理是呼吸机根据系统设定的呼吸频率改变风机转速,调整输出压力；
S/T-Mode即S-Mode和T-Mode的互相转换,当用户存在自主呼吸时系统采用S-Mode,若在一段时间内持续没有检测到呼吸触发,则认为用户的呼吸微弱,系统自动转换为T-Mode。它们的对应关系如表2.4所示:
双水平压力通气的另一设计重点在于压力释放,能够提高呼吸机治疗的顺应性和舒适性。
美国伟康公司拥有Flex压力释放技术,包块C-Flex压力释放、A-Flex压力释放和Bi-Flex双水平压力释放:
1,压力释放技术C-Flex
C-Flex压力释放技术是在检测到呼气开始时立刻降低压力到PEEP,减少人机对抗,在检测到吸气开始时候又立刻上升为治疗压力,保证了患者在治疗过程中的舒适度。压力释放水平即治疗压力与PEEP的压差值,需要根据患者的呼气气流来设置,同时需要利用数字自动追踪技术来捕捉用户的呼吸触发点；
2,双水平压力释放技术Bi-Flex
Bi-Flex双水平压力释放技术在吸气达到峰值时即开始进行压力释放,直到呼气末或者达到PEEP的水平。追踪每一次呼吸状态,在吸气过程中,随着吸气时间的推进而降低治疗压力,使治疗更接近自然呼吸。双水平压力释放技术在呼吸周期的三个关键点释放压力:呼气期、呼气向吸气转换时刻以及吸气到呼气转换时刻。
3, 自动压力释放技术设计A-Flex
A-Flex设计用于与临床验证的Auto CPAP算法相结合,使呼吸机输出的治疗压力与用户整个呼吸周期的压力相匹配,从而使治疗更为舒适。从吸气到呼气转换的过程类似Bi-Flex, A-Flex输出的压力柔和,吸气过程类似C-Flex, A-Flex在吸气开始时提供基于流量的压力释放;提高了Auto CPAP模式的舒适度。
BIPAP呼吸机是目前治疗功能最全面的睡眠呼吸机,具有呼吸自主触发功能,能够实现压力与用户的呼吸状态同步,给用户提供良好的舒适度治疗。
性能和安全要求
结合睡眠呼吸机功能设计,参考医学设备安全通用要求GB9706.1-20071251、医用呼吸机基本安全和主要性能专用要求YY0600.1-2007126]的第1部分家用呼吸支持设备要求、中华人民共和国医药行业标准YY0671.1-2009和YY0709-2009等专业资料,论文中设计的家用睡眠呼吸机指标如下:
1,呼吸机的使用环境要求:温度10-40℃,相对湿度不大于80%,大气压强700-1060hPa
2,呼吸机的工作模式及功能: CPAP, APAP, BIPAP (S-Mode, T-Mode, S/T-Mode),呼吸自动触发(压力触发、流量触发) ,报警功能(超压、低通气、呼吸暂停)。
3,输出压力:吸气压(IPAP) 4-20 cmH20,呼气压(EPAP) 4-18 cmH20,调节步距≤0.5 cmH20,压力触发灵敏度在-0.5 cmH20--2 cmH20,气道压力上/下限报警可调范围30-50 cmH20 (上限)和0-10 cmH20 (下限),延时升压时间:为0min-40min,调节步距应为5min
4·输出流量:流量触发灵敏度为1-3L/min,最大输出流量应不小于40L/min.
5,呼吸参数:呼吸频率为5次/min-40次/min,吸气时间一般为0.5s-3s,呼吸比分为1:1,2:3,1:2三档,分钟通气量上限为30L/min,潮气量范围0-4L.
附录
