呼吸機(jī)如何拯救一名新冠重癥患者？

砰砰

砰——砰——

滴——

醫(yī)院里心跳監(jiān)測(cè)的畫面，陌生而熟悉。陌生的是一種天生的恐懼與距離感，熟悉的是每個(gè)人都明白，我們都將定格在那一時(shí)刻。

2020 年，注定是不平凡的，這一年全球新冠疫情爆發(fā)，一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)在人類毫無(wú)防備之時(shí)打響。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織最新公布的信息，截至 2020 年 6 月 8 日早上 8:36，全球累計(jì)確診人數(shù)達(dá) 6,881,352 例，累計(jì)死亡人數(shù)達(dá) 399,895 例。

信息源：WHO

WHO 方面表示，大約 14%的感染者需要住院和氧氣支持，而 5%則需要入住 ICU。以中國(guó)為例，在新型冠狀病毒肺炎病例中，17%的患者采用了呼吸機(jī)進(jìn)行有創(chuàng)機(jī)械通氣治療手段。于是，醫(yī)用呼吸機(jī)的需求量激增，在增量面前，有限的存量變得如此可憐。筆者之前有一篇文章重點(diǎn)描述了呼吸機(jī)的緊缺程度，若有興趣，可點(diǎn)擊查看《參考設(shè)計(jì) | 美國(guó)巨頭疫情下開源呼吸機(jī)方案》 ，這里不再贅述。而今天除了呼吸機(jī)的作用意外，我們更重要的是要來(lái)聊一聊呼吸機(jī)的發(fā)展歷史和工作原理。

為何呼吸機(jī)在救治新冠病人時(shí)如此重要？

這是因?yàn)楦腥拘滦凸跔畈《竞?，肺部?xì)胞感染加劇，產(chǎn)生大量粘液，充滿肺泡并阻塞分支，減少可用于氣體轉(zhuǎn)移的表面積，使得可用肺泡不足以支撐患者所需氧量，導(dǎo)致氣體轉(zhuǎn)移不足、呼吸困難，甚至死亡。

信息源：Hackday

而呼吸機(jī)作為一項(xiàng)能人工替代自主通氣功能的有效手段，起到了預(yù)防和治療呼吸衰竭，減少并發(fā)癥，挽救及延長(zhǎng)病人生命的作用。

 
既然呼吸機(jī)這么重要，那么呼吸機(jī)從哪里來(lái)，是怎樣工作的？

呼吸機(jī)又被形象地稱為通氣機(jī)，最早可以追溯到 1555 年和 1667 年，Vesalius 和 Hook 就發(fā)現(xiàn)用向肺中充氣的方法可以維持動(dòng)物的生命。

1743 年，英國(guó)牧師和生理學(xué)家 StephenHales 發(fā)明了第一臺(tái)“呼吸機(jī)”，用于船工和礦工的急救。

圖 | Stephen Hales, aged 82, by J. McArdell after T. Hudson

 
圖 | Image of a Ventilation Bellows devised by Stephen Hales

1864 年，Alfred Jones 發(fā)明了第一款人體封閉式呼吸機(jī)，病人坐在一個(gè)盒子里，從脖子到腳都被密封進(jìn)盒子，通過(guò)柱塞來(lái)調(diào)節(jié)箱內(nèi)壓力，從而達(dá)到輔助呼吸的效果。記載說(shuō)，這玩意兒對(duì)麻痹、神經(jīng)痛、無(wú)力、哮喘、支氣管炎、消化不良和耳聾都有一定的療效。

1926 年，被人稱為“鐵肺”的箱式體外負(fù)壓通氣機(jī)由 Wilhelm Schwake 發(fā)明，并成功用于因脊髓灰質(zhì)炎呼吸衰竭而昏迷患者的治療，開創(chuàng)了機(jī)械通氣史上一個(gè)里程碑。

1940 年，第一臺(tái)間歇正壓通氣護(hù)麻醉機(jī)誕生并在胸外科手術(shù)和戰(zhàn)傷的搶救中獲得成功。1946 年，第一臺(tái)間歇正壓呼吸機(jī)應(yīng)用于臨床，缺點(diǎn)是有效的潮氣量不能得到很好的保證。

時(shí)間軸轉(zhuǎn)到 20 世紀(jì) 50 年代，隨著心臟外科的發(fā)展，越來(lái)越多的醫(yī)師認(rèn)識(shí)到機(jī)械呼吸的優(yōu)點(diǎn)。1951 年，世界上第一臺(tái)容量控制型呼吸機(jī)由瑞典研制成功，救治了大量因流行性小兒麻痹引起的呼吸衰竭病人。

從此呼吸機(jī)開始真正應(yīng)用于臨床。

1964 年，Emerson 推出第一臺(tái)電控呼吸機(jī)，使得呼吸機(jī)跨入相對(duì)精密的電子時(shí)代。

1970 年，氣動(dòng)呼吸機(jī)研制成功，其中傳感器、邏輯元件、放大器和調(diào)節(jié)器都采用了射流原理，沒(méi)有任何活動(dòng)部件，但具有與電路相同的效應(yīng)。

往后，自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，呼吸機(jī)進(jìn)入高速發(fā)展階段，從負(fù)壓向正壓，從多功能向智能化發(fā)展。

如今的呼吸機(jī)是怎么工作的呢？

呼吸機(jī)運(yùn)行機(jī)制是一個(gè)模仿人體呼吸的過(guò)程，人體呼吸由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：外呼吸、氣體在血液中的運(yùn)輸和內(nèi)呼吸。在呼吸過(guò)程中，肺通氣是肺與外界環(huán)境之間的氣體交換過(guò)程，動(dòng)力來(lái)自于大氣與肺泡氣之間的壓力差，實(shí)現(xiàn)肺通氣的器官主要包括呼吸道、肺泡和胸廓。而呼吸道則是溝通肺泡與外界環(huán)境的氣體通道，同時(shí)還具有加濕、加溫、過(guò)濾、清潔吸入氣體和引起防御反射等保護(hù)功能。
 

信息源：CNKI

因此呼吸機(jī)就是借助機(jī)械方法在肺泡和大氣壓之間建立壓力差，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制的人工呼吸過(guò)程。呼吸機(jī)的組成除了氣源、帶有加濕加溫過(guò)濾等功能的氣體輸送系統(tǒng)之外，還需要有電子監(jiān)控系統(tǒng)。

是否覺(jué)得還很抽象？

下面我們把患者環(huán)路系統(tǒng)工作步驟具體化：
空氣經(jīng)過(guò)吸氣風(fēng)扇、過(guò)濾器、進(jìn)氣消音器、渦輪壓縮機(jī)、出口消音機(jī)后進(jìn)入空氧混合器，與氧氣按照一定比例進(jìn)行混合形成氣源，氧氣濃度在 21%~100%范圍內(nèi)可調(diào)。對(duì)于導(dǎo)管顏色的分配，見(jiàn)下圖：
 

信息源：kzncpap

呼吸機(jī)的觸發(fā)模式分為 3 種：壓力觸發(fā)、流量觸發(fā)和膈肌電觸發(fā)，目前市面上的呼吸機(jī)觸發(fā)模式以壓力觸發(fā)和流量觸發(fā)為主。

壓力觸發(fā)或流量觸發(fā)的呼吸機(jī)吸氣和呼氣回路構(gòu)成大致如下：
 

信息源：CNKI

氣源通過(guò)吸氣回路進(jìn)入肺部，具體來(lái)說(shuō)，氣源會(huì)先后經(jīng)過(guò)細(xì)菌過(guò)濾、吸氣流量傳感器、吸氣閥、吸氣壓力傳感器和濕化器后，通過(guò)氣管導(dǎo)管送至肺部。

從肺部呼出的氣體又通過(guò)氣管導(dǎo)管，先后經(jīng)過(guò)呼氣壓力傳感器、呼氣閥和呼氣流量傳感器排入大氣中。

如果選擇壓力觸發(fā)模式，那么就需要根據(jù)患者自主呼吸的情況，給呼吸機(jī)設(shè)置適當(dāng)?shù)膲毫τ|發(fā)靈敏度值。當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測(cè)到患者有吸氣努力，同時(shí)呼吸管道內(nèi)壓力低于設(shè)置的壓力觸發(fā)靈敏度值時(shí)，將觸發(fā)呼吸機(jī)給患者送氣。
 

壓力觸發(fā)模式通氣示意圖 | 信息源：CNKI

如果選擇流量觸發(fā)模式，那么就要細(xì)分是呼出末端流量觸發(fā)方式還是近端流量觸發(fā)方式了。近端觸發(fā)方式是將傳感器裝在呼吸管路接頭和患者的氣管插管之間，來(lái)檢測(cè)患者吸入的氣體流量。其靈敏度較高，受管道漏氣影響較小，但易受管道水氣和雜質(zhì)干擾，而目前廣泛使用的呼出末端觸發(fā)方式是通過(guò)檢測(cè)送氣端和呼氣末端的流量差值，獲得觸發(fā)信號(hào)。其原理為：呼吸機(jī)以恒定的流量將氣體輸送至呼吸管路中，并監(jiān)測(cè)送氣端和呼出末端流量間的差值，即患者的吸氣流量?；颊呷粲形鼩馀?，送氣端流量值保持恒定，而呼氣流量值會(huì)下降，當(dāng)患者的吸氣流量大于流量觸發(fā)靈敏度設(shè)定值時(shí)，呼吸機(jī)被觸發(fā)而輸送一次呼吸。

不難發(fā)現(xiàn)呼吸機(jī)組成囊括了多種傳感器，比如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、氧濃度傳感器等，這些傳感器就好比是呼吸機(jī)的觸角，將患者的呼吸信號(hào)轉(zhuǎn)換為電生理信號(hào)，反饋給呼吸機(jī)控制大腦，隨后大腦給電子控制系統(tǒng)發(fā)出指令，按照適當(dāng)?shù)念l率及潮氣量完成通氣功能（一般呼吸頻率為 6～20 次 / min ，要視病情需要適當(dāng)調(diào)節(jié)；潮氣量再 100～1200ml 范圍內(nèi)可調(diào)）。

那么傳感器是如何工作的呢？

以壓阻式壓力傳感器和壓差式流量傳感器為例。

壓阻式壓力傳感器：
壓阻式壓力傳感器內(nèi)部集成了薄膜電阻惠斯通電橋電路，當(dāng)沒(méi)有壓力作用時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，無(wú)電壓輸出；當(dāng)受到壓力作用時(shí)，電橋失去平衡而輸出電壓，且輸出的電壓值與壓力成比例，由此推算出所測(cè)壓力值。
 

圖 | 惠斯通電橋示意圖

壓差式流量傳感器：
氣體流過(guò)傳感器內(nèi)部有一個(gè)薄膜片，氣流可雙向流過(guò)薄片的孔口，孔口大小隨著氣流速率改變，當(dāng)流量增加時(shí)，它會(huì)步進(jìn)式地打開，并在孔口里外產(chǎn)生壓差。而呼吸機(jī)內(nèi)的壓差傳感器會(huì)檢測(cè)這一壓差，并且壓差隨著流量線性地變化，依據(jù)貝努利定律和質(zhì)量守恒原理可換算出流量。
 

圖 | 壓差式流量傳感器原理示意圖

以上是目前呼吸機(jī)的傳統(tǒng)工作模式，未來(lái)隨著生物電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，將電極放置患者食道內(nèi)，監(jiān)測(cè)呼吸中樞吸氣和呼氣時(shí)間以及呼吸努力程度的膈肌電觸發(fā)模式也許會(huì)成為主流。

Tips：
疫情當(dāng)前，美國(guó)醫(yī)療企業(yè) Medtronic 已經(jīng)以發(fā)行特殊“許可證”的方式開源了其型號(hào)為 PB560 的經(jīng)典便攜式呼吸機(jī)設(shè)計(jì)方案，包括完整的設(shè)計(jì)規(guī)格、生產(chǎn)手冊(cè)、設(shè)計(jì)文檔以及將來(lái)硬件的軟件代碼等，想要獲取設(shè)計(jì)資料，請(qǐng)關(guān)注與非網(wǎng)公眾號(hào)，發(fā)送 Medtronic 獲取。