朱子孚 ，馬勝才 ，牛航舵，文斌，葉繼倫，張旭

1 深圳市生物醫(yī)學工程重點實驗室，深圳市，518000

2 廣東省生物醫(yī)學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518000

3 深圳大學 生物醫(yī)學工程學院，深圳市，518000

0 引言

機體與外界環(huán)境之間發(fā)生的氣體交換稱為呼吸，是人類必不可少的新陳代謝方式，為人體內(nèi)的生命活動提供氧氣和排除二氧化碳。但對于一些無法正常呼吸的病患，需要通過設備及時進行供氧維持生命活動并為搶救治療提供支持。因此，呼吸機成為醫(yī)院必備的搶救設備，是患者生命支持以爭取搶救時間不可缺少的重要工具[1]。

2020年，由于新冠病毒引起了全球性的肺炎疫情，新冠病毒會對人體肺功能產(chǎn)生很大的破壞，在肺部產(chǎn)生大量黏液，從而會阻礙氣體的交換，導致機體的供氧不足，對生命健康產(chǎn)生了巨大威脅[2]。在新冠肺炎疫情的影響下，呼吸機的重要性更加凸顯，成為各國爭相研究和搶購的原因。

1 簡介

1.1 呼吸機發(fā)展歷史

國外呼吸機的發(fā)展起步較早，從羅馬帝國時期就已經(jīng)開始研究[3-5]。當今美敦力、瑞思邁、飛利浦、德爾格等品牌都是呼吸機行業(yè)的巨頭；國內(nèi)呼吸機發(fā)展起步較晚，1958年在上海制成鐘罩式正負壓呼吸機，1971年研制出電動時間切換定容呼吸機，從90年代中末期開始，國內(nèi)才開始對呼吸機的研究發(fā)力[6]，涌現(xiàn)了邁瑞、誼安、科曼等品牌。呼吸機的發(fā)展歷史，如圖1所示。

圖1 呼吸機發(fā)展歷史Fig.1 Ventilator development history

1.2 呼吸機的氣路結構

呼吸機的氣路結構一般都采用集成氣路設計，保證氣路的可靠性。核心部件主要包括泵和閥以及各類傳感器，保證對氣體流速和壓力大小進行實時監(jiān)控和精確控制，呼吸機的氣路結構，如圖2所示。

圖2 呼吸機氣路結構Fig.2 Ventilator air circuit structure

（1）氣體來源和處理：通常是由鼓風機（真空泵）壓縮空氣或者直接使用外部高壓氣瓶作為氣體來源。高壓氣體通過減壓閥進行降壓后由空氣過濾器來進行氣體的提純。

（2）氣體流量控制和參數(shù)監(jiān)測：經(jīng)過提純的氣體通過比例閥調節(jié)流量后進入流量與壓力傳感器，進行系統(tǒng)最重要的參數(shù)——流量與壓力的監(jiān)測。

（3）氣體濕化和輸出：通過濕化器來實現(xiàn)對氣體溫濕度的控制。氣體通過吸氣單向閥進入病人呼吸道，呼出氣體通過呼氣單向閥進入大氣。

1.3 呼吸機的電路結構

呼吸機的電路結構主要由主控電路部分、泵閥驅動電路部分、數(shù)據(jù)監(jiān)測電路部分以及其他部分構成，呼吸機的電路結構，如圖3所示。

圖3 呼吸機電路結構Fig.3 Circuit structure of ventilator

（1）主控電路部分包含微型控制器（MCU）、數(shù)據(jù)傳輸模塊，用戶控制界面。通過設定通氣模式實現(xiàn)相應的功能，是呼吸機的“大腦”，控制各部分有條不紊的工作。

（2）泵閥驅動電路部分包含有鼓風機或高壓氣泵、比例閥、電控安全閥的驅動，傳遞MCU的控制信號，實現(xiàn)泵閥的開通和關斷。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)測電路部分包含壓力監(jiān)測模塊、流量監(jiān)測模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、氧濃度監(jiān)測模塊，實時監(jiān)測氣路中的壓力、流量、溫濕度、氧濃度的值，反饋回MCU進行調節(jié)。

（4）其他部分包含電源供電模塊、數(shù)據(jù)存儲以及相應的接口電路等。

2 關鍵技術和應用現(xiàn)狀

2.1 通氣模式

呼吸機是幫助呼吸障礙的患者建立氣體交換的通道，根據(jù)患者呼吸情況的不同，選用的通氣模式也有所不同，呼吸機需要完成的工作也存在差別，主要分為定容型通氣模式和定壓型通氣模式兩種[7-9]。

（1）定容型通氣模式：可以按照設定的潮氣量進行通氣，當呼吸機提供的通氣量達到設定值時，便會停止通氣，依靠胸廓和肺的彈性回縮來被動呼氣。

（2）定壓型通氣模式：通過氣道壓來控制通氣，當氣道內(nèi)的壓力值達到設定壓力值時，便會停止通氣，吸氣停止，轉為呼氣。

目前，國內(nèi)外的呼吸機品牌有很多種，通氣模式相差不大。呼吸機的幾種機械通氣模式[5,10-11]，如表1所示。

表1 呼吸機的機械通氣模式Tab.1 Ventilator ventilation modes

2.2 監(jiān)測與控制

2.2.1 氣體流量、壓力的檢測方式

流量的監(jiān)測不僅僅是一個提示，也是呼吸機控制通氣和報警的一個重要依據(jù)。MCU根據(jù)監(jiān)測到的流量值，來調節(jié)比例閥的開通孔徑，保證呼吸機能夠按照設定潮氣量進行通氣。

人的正常生理呼吸、吸氣時胸肌發(fā)生擴張，肺內(nèi)壓強小于外部大氣壓強，外部氣體在壓強的作用下進入肺部；呼氣時胸肌發(fā)生收縮，肺內(nèi)壓強大于外部大氣壓強，體內(nèi)氣體在壓強的作用下排出肺部。呼吸機的作用就是幫助建立這種氣壓差，輔助患者進行呼吸。

流量、壓力的監(jiān)測準確性直接決定了呼吸機參數(shù)的準確性、可靠性和安全性。目前，流量、壓力的監(jiān)測主要依靠國外的技術，呼吸機中的流量傳感器、壓力傳感器主要依賴進口，美國的霍尼韋爾、泰科、飛思卡爾，日本的SMC都是主要的生產(chǎn)廠家。寬量程、耐高壓可以適用于各種類型的呼吸機，線性修正、溫度補償、氣體標定以及更快的響應時間能夠更好地提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

2.2.2 比例閥的精準控制

比例閥的開通孔徑?jīng)Q定了呼吸機的通氣量，在吸氣過程中，控制比例閥內(nèi)部線圈上的流過的電流，使得內(nèi)部活塞運動改變開通孔徑，從而達到不同通氣量的目的[12]。

比例閥的驅動方式有很多種，一般采用恒流源電路或PWM脈沖寬度調制。

（1）恒流源電路

主要由基準電壓（通常由微型控制器（MCU）的DA輸出提供）、運算放大器、采樣電阻等部分組成[13]。構成了一個負反饋電路，輸出電流經(jīng)過采樣電阻，實現(xiàn)I/V轉化后被重新反饋回運算放大器的輸入端，再與基準電壓進行比較，運算放大器把誤差電壓放大后調整電流,維持輸出電流恒定。為了實現(xiàn)高精度的目的，通常使用高精度、低溫度漂移的電阻作為采樣電阻。比較放大器的輸入電壓可調，從而實現(xiàn)恒流源的可調，恒流源電路原理框架，如圖4所示。

圖4 恒流源電路原理框架Fig.4 Block diagram of the constant current source circuit

（2）PWM脈沖寬度調制

微型控制器（MCU）根據(jù)設定的電流信號產(chǎn)生相對應的PWM波形，PWM波形經(jīng)過功率放大后為比例閥提供合適的工作電流[14]。通過高精度、低溫度漂移的采樣電阻進行I/V轉換后通過ADC反饋回微型控制器（MCU)）完成對電路中電流的實時檢測，通過PID算法的調節(jié)[15]，最終使得比例閥的工作電流與設定的電流值一致，PWM脈沖寬度調制原理框架，如圖5所示。

圖5 PWM脈沖寬度調制原理框架Fig.5 Block diagram of PWM pulse width modulation

3 技術進展

近年來，呼吸機技術的不斷發(fā)展和進步，專利申請量也在不斷提高，圖6為2018年底全球呼吸機專利申請量[16]。全球呼吸機專利主要分布在美國、中國、歐洲、日本、德國等國家或地區(qū)，其中西方國家申請的呼吸機專利數(shù)量較多，技術相對先進。國內(nèi)呼吸機的發(fā)展雖然起步比較晚，但在國家對醫(yī)療行業(yè)的大力支持下，發(fā)展迅猛，技術進步較快[17]。不過關鍵部件仍依賴進口，核心算法及高質量的系統(tǒng)集成仍較大不足。目前，呼吸機的相關技術仍然在不斷的發(fā)展和完善，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

圖6 2018年全球呼吸機專利申請量Fig.6 Global patent applications for ventilator in 2018

3.1 關鍵部件的自主研發(fā)

制約呼吸機質量與性能提升最重要的部份仍是鼓風機（真空泵）、比例閥、流量傳感器、系統(tǒng)集成及核心算法。目前，國內(nèi)廠商已加快對核心器件的研發(fā)，對集成系統(tǒng)的更新升級，核心算法的探索和優(yōu)化，逐個進行攻關突破，爭取實現(xiàn)自主及個性化設計，實現(xiàn)呼吸機高質量產(chǎn)品設計。

3.2 可穿戴式呼吸機

可穿戴式呼吸機，主要由一件面罩、綁帶裝置、輸氣裝置、控制單元構成。面罩內(nèi)設有鼻罩，內(nèi)部含有吸氣閥和呼氣閥；綁帶裝置在使用時可以將面罩固定在患者頭部；輸氣裝置主要包括鼓風機和輸氣管，輸氣管與面罩相連，內(nèi)部存在一個單向閥；控制單元與鼓風機相連，按照設定的參數(shù)控制鼓風機工作并產(chǎn)生對應的氣流。通過鼓風機產(chǎn)生的氣流經(jīng)輸氣管、面罩、鼻罩輸送至病人上呼吸道，施加恒定的正壓來保證患者的氣道通暢[17]。

目前這種技術仍在研究試驗階段，可穿戴式呼吸機在傳統(tǒng)呼吸機和便攜式呼吸機的基礎上小型化，患者直接穿戴進行使用，在不影響患者日常生活的基礎上，實現(xiàn)對患者的有效治療。

3.3 制氧、呼吸一體機

制氧機和呼吸機都和我們的呼吸相關，呼吸機主要幫助患者進行呼吸，制氧機是通過分子篩的吸附作用制取氧氣。對于肺部病變、氧合出現(xiàn)困難的患者，一般配套使用制氧機和呼吸機，輔助患者吸入足夠濃度的氧氣，以起到氧療和保健的作用，同時輔助患者呼出肺部的二氧化碳。

目前，市場上已有制氧呼吸一體機，克服了以往配套使用的繁瑣操作，便于患者操作使用，但仍不成熟，設備總體積較大，不利于攜帶使用，且產(chǎn)品均屬于家庭使用，距離臨床應用還有很長的一段距離。

3.4 呼吸機云平臺

呼吸機云平臺，主要是將患者的數(shù)據(jù)遠程上傳至云服務器上，通過服務器自動分析數(shù)據(jù)，然后將結果反饋給醫(yī)生，醫(yī)生可以通過遠程操作及時改變呼吸機的通氣方式和設定參數(shù)，以保證呼吸機運行在最適宜患者的狀態(tài)，減少患者的不適感。

云平臺存在無限可能，目前仍處于理論階段，尚未存在相關產(chǎn)品，未來仍是一個具有潛力的發(fā)展方向。

4 展望

呼吸機已經(jīng)成為醫(yī)院不可或缺的急救設備，2020年新冠肺炎疫情的爆發(fā)，讓世界各國都看到了呼吸機的重要性，重視呼吸機的自主研發(fā)和制造，特別是流量傳感器、鼓風機（泵）、比例閥等關鍵部件的設計與開發(fā)，加速系統(tǒng)設計與集成工藝的技術水平提升，將快速推動了呼吸機行業(yè)的發(fā)展。

未來，高端化將成為呼吸機的發(fā)展趨勢之一。隨著技術、材料、工藝的發(fā)展以及對生理學認識的進一步提高，呼吸機的通氣模式將會越來越智能化，實現(xiàn)呼吸狀態(tài)的自主識別和通氣模式的自主切換等功能，與疾病狀態(tài)匹配，結合治療效果評測及時調整；對氣路中監(jiān)測參數(shù)的誤差將會越來越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性提升，降低對患者造成的通氣與壓力的傷害風險?？偟膩碚f，多樣化的功能、人性化的操作使用及智能化的應用模式等將會是未來呼吸機發(fā)展的趨勢。