现代医用呼吸机流量传感器解决方案

作者:Andreas Alt 医疗销售总监 Sensirion AG

麻醉监测、重症监护治疗以及临床和流动环境中的持续气流测量能够为评估心肺功能和呼吸回路行为提供重要信息,已成为现代医学中不可或缺的部分。如今距离首次使用铁肺已有90年,我们现在使用的是机械通气系统,通过机械“气泵 ”为病人提供呼吸气体,利用正压通气系统向患者肺部输送空气。随着呼吸机越来越智能,它们能够自动适应肺功能或病人呼吸的变化。因此,现代定压型或定容型通气比传统模式更适应患者需求。由于设备智能化程度提高,所需要的通气模式越来越少,医用呼吸机的操作总体变得更简单。比如值得关注的一点是,以前需用镇静剂抑制有创通气患者的自发呼吸,以促进机械通气,但现在人们已经了解到自主通气的好处,并力求尽可能长时间保持自主通气,这通常会达到更好的效果。

通气治疗 

无创通气(NIV)指通过面罩或鼻腔插管进行通气,又被称为面罩通气或无创正压通气(NPPV)。有创通气指通过气管插管或气管切开将导管置入患者气管从而向肺部供气。无创和有创两种通气方式都有其各自的优点,互相取长补短。在临床上,无创通气通常是在插管前或拔管后进行。无创通气治疗的另一经典应用场景是家庭护理,它可为病人提供通气支持而无需专业医疗人员持续监督。通常情况下,支持无创通气的重症监护用呼吸机更精密,而用于亚急性护理和家庭护理的无创呼吸机则更简易。

湿化器

通气治疗中有一个因素不应被低估——吸入空气的湿化,因为它关乎的远不只是患者舒适度。虽然无创通气不会绕过上呼吸道,且吸入的空气会自然加湿,但通常仍会使用湿化系统,尤其是对于用嘴呼吸的患者。充分湿化和加温的空气对通气治疗的成功有很大帮助,因为它既能促进分泌物排出,又能提高无创通气治疗的耐受性[1]。

通气治疗的趋势 

目前医院里无创通气使用频率更高,适用范围也远比以前更广。在重症监护室使用无创通气治疗的患者中,慢性阻塞性肺病(COPD)患者占很大一部分。以急性呼吸衰竭为例,重症监护室越来越多地将无创通气作为一线治疗手段,从而减少感染性并发症、断奶期、ICU停留时间、插管率[2]和费用。同样在家庭护理中,长期无创通气在治疗COPD、肺纤维化或囊性纤维化等肺部疾病时的应用也在不断增加。

所有呼吸机的关键问题在于准确测量呼吸气体的流速以及患者吸入和呼出体内气体的容积。这样的测量具有较高的灵敏度和准确性,使之前提到的、也是现在所流行的以患者为导向的通气成为可能,从而也能更好地反映出患者的病理生理。例如,通过长期监测压力、质量流量和体积流量,我们可以观察到患者病情的变化,比如肺活量减少。图1是带气流/传感器呼吸机的典型结构示意图。

技术挑战 

由于使用不同类型的导管、湿化器、过滤器和适配器,复杂呼吸回路组成的可能性很多,常常会导致漏气和缺陷,这就是为什么吸气流速(I)有时与实际到达患者的流速有显著差异。呼气流速(E)也是如此。空气温度、湿度和呼吸气体成分的不断变化,以及软管和呼气端/近端传感器被痰液、病原体和血液污染,也会影响气流测量。由于技术限制,过去吸气(I)和呼气流速(E)的测量是在呼吸机内进行的。粗略测出的流量值有时与实际通气值有很大差异,所以需要再使用复杂但往往缺乏准确性的补偿算法尽可能进行校正。为应对这一技术挑战,现在测量呼吸流量时则尽可能靠近患者端,即近端。

利用近端传感器测量流量的优势

从新生儿学开始,人们普遍认为,测量患者气流、气体容积和压力的最佳位置应尽可能靠近患者[2],即近端(P)。这样可以在给患者通气时保证尽可能准确的潮气量,并且几乎能完全避免上述呼吸回路组成的影响。特别是在需精确测量极小流量的新生儿和儿科应用领域,近端流量测量已成为标准。另外,近端流量测量还可以即时检测呼吸信号,便于呼吸机更快做出反应,也能检测漏气。特别是在减少漏气影响方面,经证明近端传感器对容量控制型和压力控制型通气都有帮助,并有助于减少监测和触发问题的原因。

发展前沿传感器技术

呼吸机的不断发展一直与可用的传感器技术有关。从早期使用的转子流量计,到利用孔板压差传感器或热线风速仪进行流量测量,传感器测量技术已经有了长足的发展,以满足呼吸机日益增长的需求。热线风速仪发展到新一代即Sensirion CMOSens®技术。CMOSens®技术已被应用于所有Sensirion质量流量传感器和差压传感器。凭借CMOSens®技术,Sensirion在MEMS技术(微机电系统)的基础上不断扩大流量传感器应用范围,现已涵盖所有现代呼吸机传感器的要求:

  • 用于即时准确的风机控制和吸气气流监测的吸气端传感器解决方案(I)
  • 用于平衡患者呼出气体和吸入通风空气的呼气端传感器解决方案(E)
  • 以高精度测量直接在患者端测量吸入和呼出气体的近端传感器解决方案(P) 

特别是在近端测量方面,Sensirion传感器系列涵盖了成人和新生儿通气应用的一次性使用和可重复使用的传感器解决方案。由于呼气端和近端传感器都会接触到湿气或可能受污染的患者呼出气体,所以传感器的更换或清洁必不可少。因此,所有可重复使用的流量传感器解决方案都能用各种方法清洗,比如水洗或高温高压灭菌(135°C,>2巴压力,100%相对湿度)。 

新一代流量测量技术优势

现代流量传感器解决方案与上一代热线风速仪技术的关键区别在于,可提供数字化、完全校准和经温度补偿的输出信号。因此,传感器可以直接用于患者,无需事先进行耗时或定期的重新校准。此外,传感器可以双向对称地测量气流。传感器技术稳健性强,无需零点调整,不随时间流逝而出现偏差,在传感器使用期内也不需要校准。该技术应用时无迟滞且不受位置影响,在所有流量范围都具有宽动态测量范围和高测量灵敏度。由于测量信号直接在传感器内部处理,输出数字化温度补偿流量值,所以不再需要A/D转换器等昂贵组件。得益于所有这些优点,医务人员能够安全、轻松、快速、可靠地管理患者通气,这在棘手的紧急通气场合以及亚急性护理和家庭护理中具有显著优势。

(近端)流量传感器的挑战

近端流量传感器面临各种各样的艰巨挑战。传感器必须可靠、经济、长期稳定,而且要有许多其他呼吸机特有的功能(例如低压降、小死区、双向测量范围和高灵敏度),以适合现代面向患者的通风。此外,由于传感器会接触到可能被病原体污染的空气,所以对卫生消毒要求特别严格。

高湿度环境中使用情况 

目前市场上所有气流传感器的致命弱点是与湿化器结合使用。如前所述,频繁使用湿化器是因为它非常重要,远不只关乎治疗过程中患者的舒适度。如果湿度过高导致凝结就会出现问题,肉眼可见的水滴会落到呼吸回路中温度较低的地方。这一情况虽常见但仍具挑战性,为应对这一问题,Sensirion所有近端和呼气端传感器都额外配备外部加热元件。其最大运行功率为0.5 W,足以有效防止传感器内出现凝结,从而保证传感器长期稳定可靠地运行。

我们在一个新生儿呼吸机模拟案例中演示了这一点。在该案例中,空气极其潮湿,潮气量很小,只有5毫升。图3示意图中的是一个常用在呼吸机装置中确保呼吸空气足够湿润的湿化器。烘箱中的钢瓶保持在37°C,以连接的压力传感器作为参考模拟婴儿肺部。吸气循环时控制阀关闭,呼气循环时每秒打开一次。

在不使用加热器的情况下,潮气量低至5毫升保持通气16小时的过程中,每一滴水滴是如何流过传感器元件并导致测量值的误读。通过图4中所示的呼气/吸气量与参考量的偏差可以明显发现这种误读。

接通加热元件后会看到相反的情况。在整个16小时的通风过程中,近端测量读数没有因为环境湿度过高而出现明显故障。 

展望

由于肺部疾病增多,未来呼吸机的使用和普及将继续强劲增长。现代呼吸机对传感器的要求越来越高,以使重点放到患者和治疗上。基于CMOSens®技术,新一代流量传感器已在持续正压通气(CPAP)设备和汽车应用领域无数次验证其可靠性,对呼吸机的利处也显而易见。这一技术优势将使呼吸机制造行业实现下一个质的飞跃。

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