砰砰砰——砰——滴——

醫院里心跳監測的畫面，陌生而熟悉。陌生的是一種天生的恐懼與距離感，熟悉的是每個人都明白，我們都將定格在那一時刻。

2020 年，注定是不平凡的，這一年全球新冠疫情爆發，一場沒有硝煙的戰爭在人類毫無防備之時打響。

根據世界衛生組織最新公布的信息，截至 2020 年 6 月 8 日早上 8:36，全球累計確診人數達 6，881，352 例，累計死亡人數達 399，895 例。

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。以中國為例，在新型冠狀病毒肺炎病例中，17%的患者采用了呼吸機進行有創機械通氣治療手段。于是，醫用呼吸機的需求量激增，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描述了呼吸機的緊缺程度，若有興趣，可點擊查看《參考設計 | 美國巨頭疫情下開源呼吸機方案》 ，這里不再贅述。而今天除了呼吸機的作用意外，我們更重要的是要來聊一聊呼吸機的發展歷史和工作原理。

為何呼吸機在救治新冠病人時如此重要？

這是因為感染新型冠狀病毒后，肺部細胞感染加劇，產生大量粘液，充滿肺泡并阻塞分支，減少可用于氣體轉移的表面積，使得可用肺泡不足以支撐患者所需氧量，導致氣體轉移不足、呼吸困難，甚至死亡。

而呼吸機作為一項能人工替代自主通氣功能的有效手段，起到了預防和治療呼吸衰竭，減少并發癥，挽救及延長病人生命的作用。

既然呼吸機這么重要，那么呼吸機從哪里來，是怎樣工作的？

呼吸機又被形象地稱為通氣機，最早可以追溯到 1555 年和 1667 年，Vesalius 和 Hook 就發現用向肺中充氣的方法可以維持動物的生命。

1743 年，英國牧師和生理學家 StephenHales 發明了第一臺“呼吸機”，用于船工和礦工的急救。

1864 年，Alfred Jones 發明了第一款人體封閉式呼吸機，病人坐在一個盒子里，從脖子到腳都被密封進盒子，通過柱塞來調節箱內壓力，從而達到輔助呼吸的效果。記載說，這玩意兒對麻痹、神經痛、無力、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”的箱式體外負壓通氣機由 Wilhelm Schwake 發明，并成功用于因脊髓灰質炎呼吸衰竭而昏迷患者的治療，開創了機械通氣史上一個里程碑。

1940 年，第一臺間歇正壓通氣護麻醉機誕生并在胸外科手術和戰傷的搶救中獲得成功。1946 年，第一臺間歇正壓呼吸機應用于臨床，缺點是有效的潮氣量不能得到很好的保證。

時間軸轉到 20 世紀 50 年代，隨著心臟外科的發展，越來越多的醫師認識到機械呼吸的優點。1951 年，世界上第一臺容量控制型呼吸機由瑞典研制成功，救治了大量因流行性小兒麻痹引起的呼吸衰竭病人。

從此呼吸機開始真正應用于臨床。

1964 年，Emerson 推出第一臺電控呼吸機，使得呼吸機跨入相對精密的電子時代。

1970 年，氣動呼吸機研制成功，其中傳感器、邏輯元件、放大器和調節器都采用了射流原理，沒有任何活動部件，但具有與電路相同的效應。

往后，自 20 世紀 80 年代以來，呼吸機進入高速發展階段，從負壓向正壓，從多功能向智能化發展。

如今的呼吸機是怎么工作的呢？

呼吸機運行機制是一個模仿人體呼吸的過程，人體呼吸由三個環節組成：外呼吸、氣體在血液中的運輸和內呼吸。在呼吸過程中，肺通氣是肺與外界環境之間的氣體交換過程，動力來自于大氣與肺泡氣之間的壓力差，實現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境的氣體通道，同時還具有加濕、加溫、過濾、清潔吸入氣體和引起防御反射等保護功能。

因此呼吸機就是借助機械方法在肺泡和大氣壓之間建立壓力差，實現強制的人工呼吸過程。呼吸機的組成除了氣源、帶有加濕加溫過濾等功能的氣體輸送系統之外，還需要有電子監控系統。

是否覺得還很抽象？

下面我們把患者環路系統工作步驟具體化：

空氣經過吸氣風扇、過濾器、進氣消音器、渦輪壓縮機、出口消音機后進入空氧混合器，與氧氣按照一定比例進行混合形成氣源，氧氣濃度在 21%~100%范圍內可調。對于導管顏色的分配，見下圖：

信息源：kzncpap

呼吸機的觸發模式分為 3 種：壓力觸發、流量觸發和膈肌電觸發，目前市面上的呼吸機觸發模式以壓力觸發和流量觸發為主。

壓力觸發或流量觸發的呼吸機吸氣和呼氣回路構成大致如下：

信息源：CNKI

氣源通過吸氣回路進入肺部，具體來說，氣源會先后經過細菌過濾、吸氣流量傳感器、吸氣閥、吸氣壓力傳感器和濕化器后，通過氣管導管送至肺部。

從肺部呼出的氣體又通過氣管導管，先后經過呼氣壓力傳感器、呼氣閥和呼氣流量傳感器排入大氣中。

如果選擇壓力觸發模式，那么就需要根據患者自主呼吸的情況，給呼吸機設置適當的壓力觸發靈敏度值。當壓力傳感器監測到患者有吸氣努力，同時呼吸管道內壓力低于設置的壓力觸發靈敏度值時，將觸發呼吸機給患者送氣。

如果選擇流量觸發模式，那么就要細分是呼出末端流量觸發方式還是近端流量觸發方式了。近端觸發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，來檢測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干擾，而目前廣泛使用的呼出末端觸發方式是通過檢測送氣端和呼氣末端的流量差值，獲得觸發信號。其原理為：呼吸機以恒定的流量將氣體輸送至呼吸管路中，并監測送氣端和呼出末端流量間的差值，即患者的吸氣流量。患者若有吸氣努力，送氣端流量值保持恒定，而呼氣流量值會下降，當患者的吸氣流量大于流量觸發靈敏度設定值時，呼吸機被觸發而輸送一次呼吸。

不難發現呼吸機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的觸角，將患者的呼吸信號轉換為電生理信號，反饋給呼吸機控制大腦，隨后大腦給電子控制系統發出指令，按照適當的頻率及潮氣量完成通氣功能（一般呼吸頻率為 6～20 次 / min ，要視病情需要適當調節；潮氣量再 100～1200ml 范圍內可調）。

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部集成了薄膜電阻惠斯通電橋電路，當沒有壓力作用時，電橋處于平衡狀態，無電壓輸出；當受到壓力作用時，電橋失去平衡而輸出電壓，且輸出的電壓值與壓力成比例，由此推算出所測壓力值。

圖 | 惠斯通電橋示意圖

壓差式流量傳感器：

氣體流過傳感器內部有一個薄膜片，氣流可雙向流過薄片的孔口，孔口大小隨著氣流速率改變，當流量增加時，它會步進式地打開，并在孔口里外產生壓差。而呼吸機內的壓差傳感器會檢測這一壓差，并且壓差隨著流量線性地變化，依據貝努利定律和質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

以上是目前呼吸機的傳統工作模式，未來隨著生物電檢測技術的發展，將電極放置患者食道內，監測呼吸中樞吸氣和呼氣時間以及呼吸努力程度的膈肌電觸發模式也許會成為主流。