楊 東，劉妙芳，董俊斌

不同類(lèi)型空氧混合器在呼吸機(jī)中的作用及研究分析

楊 東，劉妙芳，董俊斌

介紹了呼吸機(jī)中5種不同類(lèi)型的空氧混合器的結(jié)構(gòu)和原理，在3組相同參數(shù)設(shè)置條件下，對(duì)呼吸機(jī)實(shí)際氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)試進(jìn)行了比較研究，評(píng)價(jià)了其調(diào)節(jié)控制功能的差異，指出了混合器氧氣體積分?jǐn)?shù)控制精度和線性在做好定標(biāo)校準(zhǔn)的情況下沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，而混合器兼顧作為呼吸機(jī)吸入流量的控制部件時(shí)則要求較高，為設(shè)計(jì)研發(fā)、維修和臨床使用人員提供參考。

空氧混合器；呼吸機(jī)；分類(lèi)；比較

0 引言

呼吸機(jī)作為醫(yī)院必備的搶救設(shè)備，隨著技術(shù)的發(fā)展，軟硬件水平也不斷提高，其中空/氧混合器是關(guān)鍵氣路部件之一。本文分析了該部件的作用及原理，并就不同類(lèi)型的混合器進(jìn)行了研究比較。

1 呼吸機(jī)空/氧混合器的作用及分類(lèi)

空/氧混合器是呼吸機(jī)設(shè)置氧氣體積分?jǐn)?shù)的部件，用于臨床患者救治時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)[1]，確保患者獲得臨床不同救治階段所需的吸入氧氣體積分?jǐn)?shù)。不同形式或不同檔次的呼吸機(jī)在混合器的設(shè)計(jì)或應(yīng)用方面也有所不同，從構(gòu)造上分有機(jī)械氣動(dòng)均衡式、電磁閥組合式、集氧流量調(diào)節(jié)式、比例電磁控制式和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制式混合器[2]。而這些形式目前都還廣泛使用，包括普通機(jī)型或便攜式呼吸機(jī)使用機(jī)械氣動(dòng)式或集氧流量調(diào)節(jié)式，中檔機(jī)型既有機(jī)械氣動(dòng)均衡式，也有比例步進(jìn)調(diào)節(jié)控制式；高檔機(jī)型多使用比例電磁控制式或電磁閥組合式。分析研究不同類(lèi)型的空/氧混合器，了解精度響應(yīng)和參數(shù)線性，對(duì)臨床氧氣體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)和血氧檢測(cè)時(shí)間有參考意義，對(duì)醫(yī)工人員維修也有所幫助。

2 各類(lèi)型空/氧混合器的原理分析

2.1 機(jī)械氣動(dòng)均衡式混合器

機(jī)械氣動(dòng)均衡式混合器（如圖1所示）一般是獨(dú)立于呼吸機(jī)以外的氣動(dòng)部件，或者一體化安裝在呼吸機(jī)主機(jī)上。混合器內(nèi)部氣路設(shè)計(jì)上在高壓氣源輸入后，有一級(jí)或二級(jí)氣體均衡裝置，第一級(jí)為粗調(diào)，第二級(jí)為細(xì)調(diào)。其原理是：在2路氣源有差別時(shí)，壓差閥芯推動(dòng)膜片向低壓一路腔體移動(dòng)，使得壓力大的一邊開(kāi)口小，壓力小的一邊開(kāi)口大，隔膜的移動(dòng)使失衡的壓力達(dá)到均衡。部分混合器專門(mén)設(shè)定了氣源壓力，偏差太大時(shí)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置（約20 psi，1 psi=6.895 kPa）。面板設(shè)置旋鈕通過(guò)棍桿調(diào)節(jié)均衡器達(dá)到所需要的氧氣/空氣混合比例。維修方面主要是氣路的密閉和隔膜頂針問(wèn)題。

圖1 氣動(dòng)均衡式混合器

2.2 電磁閥組合控制式混合器

電磁閥組合控制式（如圖2、3所示）是由一個(gè)或多個(gè)電磁閥和氣阻節(jié)流孔元件以及空氣混合儲(chǔ)氣裝置組合而成，氧氣輸入同樣為高壓（一般為40～60psi），原理是：微處理控制器通過(guò)對(duì)壓力、輸出流量和氧氣體積分?jǐn)?shù)的設(shè)定，綜合調(diào)節(jié)控制電磁閥的開(kāi)啟組合和時(shí)間，氧氣到達(dá)儲(chǔ)氣組件與空氣進(jìn)行混合，再通過(guò)流量控制裝置向患者通氣?；旌系牧硗庖宦房諝鈿庠丛O(shè)計(jì)有高壓輸入和低壓輸入，如果氧氣和空氣均為高壓，則空氣和氧氣各自的電磁閥將按照時(shí)間比例開(kāi)啟，開(kāi)啟過(guò)程由流量傳感器監(jiān)測(cè)流量，綜合控制所需的氧氣體積分?jǐn)?shù)。如果空氣氣源是低壓或常壓輸入，視作空氣恒定輸入，呼吸機(jī)脈沖控制氧氣支路的電磁閥組，每個(gè)電磁閥配合一個(gè)相應(yīng)的節(jié)流孔元件，根據(jù)設(shè)定的氧氣體積分?jǐn)?shù)，通過(guò)每個(gè)電磁閥的開(kāi)啟頻率和節(jié)流孔的輸出流量進(jìn)行組合控制，達(dá)到空/氧混合比例。其中圖2為空氣低壓輸入和氧氣高壓輸入電磁閥組的控制形式，圖3為氧氣和空氣高壓輸入的雙電磁閥的控制形式。

圖3 雙電磁閥組合式混合器

2.3 集氧流量調(diào)節(jié)式混合器

集氧流量調(diào)節(jié)式（如圖4所示）屬于精度相對(duì)要求不高的空/氧混合裝置，應(yīng)用于便攜式和臺(tái)式呼吸機(jī)，可通過(guò)低壓氧流量計(jì)為集氧器提供一定流量的氧氣，與過(guò)濾后的空氣進(jìn)行混合，作為給患者通氣的氣體，這種混合形式多用于沒(méi)有高壓氣源的活塞式呼吸機(jī)。整體混合功能由氧氣收集器、過(guò)濾器、氧流量調(diào)節(jié)器組成，按照低壓氧流量與每分鐘不同通氣量相應(yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線圖運(yùn)行調(diào)節(jié)（一般此類(lèi)型呼吸機(jī)供應(yīng)廠家都提供該關(guān)系圖），從而達(dá)到所需要的氧氣體積分?jǐn)?shù)。

圖4 集氧流量調(diào)節(jié)式混合器

2.4 比例電磁控制式混合器

比例電磁控制式（如圖5所示）一般采用與呼吸機(jī)流量閥一體化設(shè)計(jì)，該組件由高壓空/氧氣源輸入，2個(gè)氣路分別由流量傳感器檢測(cè)氣體流量[3]，根據(jù)設(shè)置的百分比氧氣體積分?jǐn)?shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)氧氣支路和空氣支路的比例電磁閥，從而達(dá)到所需比例的空/氧混合氣體。有混合器作用的比例電磁閥可分別控制氧氣和空氣，這種一體化混合器具有監(jiān)測(cè)和控制功能，需定期校準(zhǔn)，結(jié)合其他設(shè)定的通氣參數(shù)，可實(shí)時(shí)進(jìn)行響應(yīng)及反饋控制，所以該組件空氧混合功能只是其作用的一部分，其他重要作用還包括控制呼吸機(jī)吸氣峰流量、頻率和潮氣量等參數(shù)，通過(guò)伺服流量閥結(jié)合流量傳感器控制混合器，整體響應(yīng)和靈敏度都比其他形式高。

圖5 比例電磁閥控制式混合器

2.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制調(diào)節(jié)式混合器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制調(diào)節(jié)式混合器（如圖6所示）通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)混合器氣路中的比例桿，控制高壓氧氣和空氣的進(jìn)氣比例。通過(guò)電路控制可以實(shí)現(xiàn)零氧流量到最大氧流量的步進(jìn)計(jì)數(shù)校正，以便電路記憶步進(jìn)比例。為了提高混合精度，在二路高壓氣源過(guò)濾輸入后，需要減壓器穩(wěn)壓至設(shè)定壓力，作為混合器的輸入氣源。

圖6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制調(diào)節(jié)式混合器

3 不同類(lèi)型空/氧混合器的實(shí)測(cè)比較分析

3.1 測(cè)量環(huán)境

室內(nèi)空調(diào)環(huán)境設(shè)置溫度為（25±1）℃，濕度為40%±3%，廣州市平均海拔高度為（10±5）m，氧濃度計(jì)使用Teledyne Analytical Instruments公司生產(chǎn)的MX 300I型，氧電池使用Teledyne Analytical Instruments生產(chǎn)的R-17MED氧電池，測(cè)量范圍0%～100%，響應(yīng)時(shí)間6 s內(nèi)達(dá)到實(shí)測(cè)值的90%。

3.2 測(cè)量步驟

（1）呼吸機(jī)開(kāi)機(jī)自檢；

（2）進(jìn)行流量校準(zhǔn)后使用水肺進(jìn)行潮氣量測(cè)試，實(shí)測(cè)值與設(shè)置值誤差小于5%的呼吸機(jī)才可進(jìn)行后續(xù)測(cè)試；

（3）執(zhí)行呼吸機(jī)氧氣體積分?jǐn)?shù)校準(zhǔn)程序；

（4）將R-17MED氧電池連接到MX 300I氧濃度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)：先在大氣環(huán)境下進(jìn)行空氣氧氣體積分?jǐn)?shù)校準(zhǔn)（下標(biāo)21%），然后將氧電池通過(guò)轉(zhuǎn)接頭連接至醫(yī)院中心供氣的純氧進(jìn)行校準(zhǔn)（上標(biāo)100%）；

（5）連接通氣管路和模擬肺，在呼吸機(jī)吸氣端的出口連接裝有R-17MED氧電池的三通轉(zhuǎn)接頭；

（6）選擇容量控制通氣，按照設(shè)定的條件設(shè)置參數(shù)（潮氣量、流速、呼吸頻率、氧氣體積分?jǐn)?shù)）；

（7）通氣1 min后讀取氧濃度計(jì)測(cè)定的讀數(shù)。

3.3 測(cè)量方法

對(duì)多個(gè)品牌呼吸機(jī)不同類(lèi)型的混合器測(cè)量比較，方法是在上述測(cè)量條件下對(duì)所有呼吸機(jī)設(shè)置以下3組呼吸機(jī)參數(shù)進(jìn)行通氣，然后分別檢測(cè)呼吸機(jī)輸出給患者21%、50%和95%的氧氣體積分?jǐn)?shù)。

（1）第1組參數(shù)：潮氣量Vt=100 mL，吸氣峰流量F=15 L/min，呼吸頻率f=20；

（2）第2組參數(shù)：潮氣量Vt=500 mL，吸氣峰流量F=30 L/min，呼吸頻率f=20；

（3）第3組參數(shù)：潮氣量Vt=1 000 mL，吸氣峰流量F=15 L/min，呼吸頻率f=20；

4 測(cè)量比較

（1）機(jī)械氣動(dòng)均衡式混合器：通過(guò)表1實(shí)測(cè)值可見(jiàn)，機(jī)械氣動(dòng)均衡式混合器（機(jī)型：紐邦E150，E200）不同氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)整體線性一般，實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)與設(shè)置值偏離度較小、穩(wěn)定性較好，整體氧氣體積分?jǐn)?shù)略微偏高。

（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制式混合器（機(jī)型：bear 1000）：通過(guò)表2測(cè)量值可見(jiàn)，整體線性基本一致，但各機(jī)型之間穩(wěn)定度不高，與設(shè)置值相比，實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)整體都略偏高，其中1臺(tái)偏高較多。

表1 機(jī)械氣動(dòng)均衡式混合器檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)%

表2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制式混合器檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)%

（3）比例電磁控制式混合器（機(jī)型：德?tīng)柛馝vita 2，Evita 4，Evita XL）：從表3可見(jiàn)，相對(duì)測(cè)量數(shù)量較多，結(jié)果整體線性一致性較好，3組參數(shù)測(cè)量值與設(shè)置值較為一致，只有1臺(tái)低潮氣量50%測(cè)量值略偏低。

（4）比例電磁控制式混合器（機(jī)型：西門(mén)子300A，邁柯唯Servo-i）：測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4，測(cè)試機(jī)型略少，除1臺(tái)外，整體3組參數(shù)氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值隨著設(shè)置值的提高而整體偏高，但各組測(cè)量值線性基本良好。

（5）比例電磁控制式混合器（機(jī)型：PB7200，PB840）：測(cè)量值見(jiàn)表5，各組測(cè)量值線性基本良好，個(gè)別設(shè)備高氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)實(shí)測(cè)值略高，實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)與設(shè)置值偏離度較小。

（6）電磁閥組合式混合器（機(jī)型：鳥(niǎo)牌Vela，德?tīng)柛馭avina，泰科PB760）：具體檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，檢測(cè)機(jī)型中1臺(tái)Vela機(jī)型ADT01450線性不好，其他4臺(tái)線性基本良好，高氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)穩(wěn)定性一般。

（7）集氧流量調(diào)節(jié)式混合器（機(jī)型：熊牌BEAR33）：測(cè)量值見(jiàn)表7，檢測(cè)機(jī)型只有2臺(tái)，線性一般，實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)與設(shè)置值偏離度相對(duì)較多，高氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)更明顯偏低。

表3 比例電磁控制式混合器檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù) %

表4 比例電磁控制式混合器檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)%

表5 比例電磁控制式混合器檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)%

表6 電磁閥組合式混合器檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)%

表7 集氧流量調(diào)節(jié)式混合器檢測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)%

5 分析

上述43臺(tái)呼吸機(jī)有14款機(jī)型共5種類(lèi)型的空氧混合器，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置參數(shù)和測(cè)試條件下，其中比例電磁控制式混合器實(shí)測(cè)數(shù)量最多，實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)與設(shè)置值的偏離度、穩(wěn)定性和線性最好。其次是機(jī)械氣動(dòng)均衡式混合器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制調(diào)節(jié)式混合器，再次是電磁閥組合式混合器，最后是集氧流量調(diào)節(jié)式。從結(jié)構(gòu)上分析呼吸機(jī)中不同類(lèi)型空氧混合器如下：

（1）機(jī)械氣動(dòng)均衡式混合器：屬于機(jī)械氣動(dòng)部件構(gòu)成類(lèi)型，耐用性和穩(wěn)定性較好，精度不如電子閥門(mén)控制類(lèi)型，不能自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，要求空/氧氣源質(zhì)量相對(duì)較高一些，否則濕度大或雜質(zhì)多易影響混合器精度和內(nèi)部比例調(diào)節(jié)桿的控制。

（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制式混合器：屬于電動(dòng)機(jī)控制機(jī)械比例桿調(diào)節(jié)氧氣體積分?jǐn)?shù)類(lèi)型，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與機(jī)械部件安裝精度要求較高，以保障空氧開(kāi)啟機(jī)械位置比例的準(zhǔn)確，能夠通過(guò)軟件控制起始零流量和最大流量，開(kāi)機(jī)進(jìn)行校正，對(duì)空氧輸入壓力一致性要求較高。因此，在高氧氣體積分?jǐn)?shù)和機(jī)械混合腔體開(kāi)啟較大的情況下，穩(wěn)定性一般，氧氣體積分?jǐn)?shù)偏高。

（3）比例電磁控制式混合器：由比例電磁閥直接控制閥桿帶動(dòng)調(diào)節(jié)膜片，可在開(kāi)機(jī)時(shí)和通氣過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行氧氣和空氣流量定標(biāo)校準(zhǔn)，氧氣體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)控制的穩(wěn)定性和線性都較好，主要用于高檔機(jī)型。實(shí)測(cè)案例中，有3種不同品牌的7款機(jī)型，相對(duì)其他類(lèi)型的混合器而言，實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)與設(shè)置值偏離最小，但個(gè)別機(jī)型也有高氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)略偏高的情況。

（4）電磁閥組合式混合器：由1個(gè)或多個(gè)普通電磁閥直接控制氧氣，需要軟件分別按照程序控制開(kāi)啟脈沖時(shí)間，結(jié)合氣阻元件進(jìn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)。氧氣體積分?jǐn)?shù)的精度和線性等有賴于電磁閥的精度，一般用于中低端機(jī)型，本次檢測(cè)機(jī)型高氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)穩(wěn)定性一般。

（5）集氧流量調(diào)節(jié)式混合器：一般將低壓氧氣作為氣源，通過(guò)調(diào)節(jié)氧流量控制進(jìn)入集氧器的氧流量，從而按照比例帶入空氣進(jìn)行混合，收儲(chǔ)集氧器中等待通過(guò)活

（????）（????）塞抽入輸送給患者的氣體，屬較為粗糙的控制，因此線性一般，實(shí)測(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)與設(shè)置值偏離度相對(duì)較多，高氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)更明顯偏低[4]。

上述結(jié)果說(shuō)明不同檔次的混合器配置不同檔次的呼吸機(jī)，既有結(jié)合流量控制的需要，也有精度和線性的要求，更有成本控制的考慮。綜合整體實(shí)測(cè)結(jié)果，可以看出呼吸機(jī)混合器不同檔次實(shí)際氧氣體積分?jǐn)?shù)有所差異，其中集氧流量調(diào)節(jié)式混合器屬簡(jiǎn)易型，難以進(jìn)行控制，僅用于低端呼吸機(jī)。其他幾個(gè)類(lèi)型的混合器中比例電磁控制式混合器精度和線性較好，在做好定標(biāo)校正后，整體差異不會(huì)較大，一般根據(jù)呼吸機(jī)的檔次和吸氣峰值流量的控制能力來(lái)選用混合器。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)呼吸機(jī)中關(guān)鍵部件空氧混合器的原理分析和實(shí)測(cè)比較，使我們對(duì)5種不同類(lèi)型空氧混合器的特點(diǎn)有所了解。在相同呼吸參數(shù)和設(shè)置測(cè)量條件下，對(duì)各自的氧氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了比較分析，從臨床醫(yī)生實(shí)際使用設(shè)置上影響并不大，一般情況下醫(yī)生基本不會(huì)根據(jù)氧氣體積分?jǐn)?shù)設(shè)置偏差而判斷治療效果，而是根據(jù)患者的血?dú)夥治鰯?shù)據(jù)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)至合適的氧分壓[5]。但不可定標(biāo)測(cè)試和可控的低端混合器如果偏差較大時(shí)，使用難以發(fā)現(xiàn)，建議使用氧氣濃度計(jì)輔助監(jiān)測(cè)?？傮w來(lái)說(shuō)，呼吸機(jī)空氧混合器首要作用是氧氣體積分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)功能，該功能的精度和線性要求并不很高，在高檔機(jī)型中空氧混合器同時(shí)也是呼吸機(jī)吸入流量的控制部件，因此控制功能、精度和線性都較好，從而保證患者吸入峰值流量的有效控制，使用中氧氣體積分?jǐn)?shù)偏差隨時(shí)可以監(jiān)測(cè)報(bào)警。通過(guò)上述比較、測(cè)試和分析，可使醫(yī)護(hù)人員和醫(yī)工人員較全面了解呼吸機(jī)空氧混合器的作用、原理及不同類(lèi)型的差別，為設(shè)計(jì)研發(fā)、維修和臨床使用人員提供參考。

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（收稿：2014-03-04 修回：2014-08-10）

Roles of types of air-oxygen mixers in ventilator

YANG Dong,LIU Miao-fang,DONG Jun-bin
（The First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangzhou 510120,China）

Five types of air-oxygen mixers of the ventilator are introduced from the structures and working principles. The oxygen concentration is measured in three groups of conditions by comparison,in order to evaluate the mixers' performance of air-oxygen ratio control.The result is that there are not statistics differences in linear and fidelity between different types of mixers under the well calibrated condition,which can be helpful for researchers,repair engineering and clinical operators.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：112-115，119]

air-oxygen mixer;ventilator;classification;comparison

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）01-0112-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.112

楊 東（1959—），男，高級(jí)工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備維修和管理方面的研究工作，E-mail：1176521107@qq.com。

510120廣州，廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院（楊 東，劉妙芳，董俊斌）