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肺炎疫情下的呼吸机设备与其中的传感器技术

发布时间: 2020-2-19

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近期,突如其来的新型冠状病毒感染的肺炎疫情肆虐湖北,波及整个中国。日益变化的情况也牵动着全国人民的心。目前,呼吸困难是遭受新型肺炎病毒感染的患者的典型症状之一。尤其是危重病人,一旦不能自主呼吸,甚至在无意识的情况下就会离开人世。呼吸机是临床医学中专门针对呼吸困难患者的紧急救治所研发的设备,患者通过使用呼吸机可以使肺泡在呼气末保持一定的压力,增加功能残气量,防止肺泡萎陷,从而改变通气和换气功能,以此来实现对病人的辅助呼吸治疗目的。


此次新型肺炎疫情阻击战中,多地各类企业向武汉等疫情一线地区捐赠的呼吸机设备。资料图


由于呼吸机能够起到预防和治疗呼吸衰竭,减少并发症,它成为了现代挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。目前,常用的持续正压通气(CPAP)的呼吸机装置,可强迫可呼吸空气进入肺部,在整个呼吸周期内人为地施以一定程度的气道内正压。如果病人出现呼吸暂停,CPAP呼吸机可根据预设的频率进行必要的机械通气。

呼吸机原理框架图,资料图


这其中,呼吸机中的多个传感器器件,能够持续精确控制气流,压力和湿度,以保持患者的舒适和安全。总的来说,典型的呼吸机设备都会用到气体质量流量传感器、压力传感器、湿度传感器、温度传感器和磁传感器,这些传感器可监测和帮助控制气流、压力、湿度与温度,同时支持稳定的电机控制。

空气流量传感器
空气流量传感器主要用于测量进入系统的氧气的流量,以确保充足的空气供应。通过判断使用者睡眠时的呼吸节奏,根据患者呼吸速度的快慢,可对呼吸机的通气速度进行控制,使患者呼吸和进气频率保持一致,从而保证呼吸自然通畅,还能有效减少进气泵的工作量,起到节能的作用。

压力传感器

  在呼吸机运行系统中,测量呼吸压力对于系统运作至关重要。比如,带泵的呼吸机可检测到病患呼吸压力的变化和振动,如打鼾。病人在呼气期间的二氧化碳水平,可使用差压传感器进行计算。比如,在CPAP呼吸机中,通过使用可测量2英寸水柱压力差的差压传感器,CPAP系统能更好地了解患者的二氧化碳输出,以调节输入压力。具体来说,压力传感器可将气道压力转化为差动信号,并将测量值交给电路MCU准确做出吸气和呼气判断。之后,由MCU发出指令控制进气泵,增大或者减小管道压强。使患者呼吸自然顺畅,且不会产生抵触感。

  通常,在选择这类压力传感器时,一般都会考虑稳定性长久、小巧尺寸且功耗低的传感器产品,及是否能够提供最低压降,因为这事关降低噪音和振动,是确保患者晚间舒适睡眠和高配合度的重要事项。 

温湿度传感器 

在呼吸机系统中,温湿度传感器主要用于对管道中的空气的温、湿度进行测量,并对通入气体的温湿度进行调节,以便给使用者提供适宜温湿度空气,使病人感觉自然舒适,还可提高夜间睡眠质量。 
具体来说,湿度传感器可用于提供令患者感到舒适的暖湿气流。当向气流中加入湿气时,必须对其进行监测与控制。湿度传感器与测量气流湿度的微控制器配合使用,并与调节湿度的控制器相互协调,确保气流具有恰当的湿度水平。
由于暖湿空气可帮助患者减少因吸入干燥的冷空气而导致的嗓子疼,因此,一些呼吸机制造商会在机器气流通路中,直接安装分立式热敏电阻传感器,以检测气流温度。传感器与检测气流温度的微控制器配合使用,并与控制和调节气流温度的控制器交互。另外,制造商还会采用温度探测组件来定位热敏电阻元件在待测介质中的位置,并保护热敏电阻免受损坏。探测组件还能保持热气或流体直接、均匀地流过热敏电阻,从而准确感应温度。

磁传感器

此外,为使呼吸机电机顺畅运转,呼吸机还会风机系统来冷却电机组件。此时,可采用磁传感器,如霍尔磁传感器元件来支持稳定的电机控制,可减少由风机系统产生的噪音和振动。
可以说,呼吸机已成为眼下抗击新型肺炎疫情的最重要的医疗战略设备之一。目前,为支援湖北武汉等疫情一线地区,国内已有多家企业紧急支援捐赠包括呼吸机等在内的各类医疗辅助监测设备,希望这些传感器技术支持下的医疗设备,能有效为肺炎患者提供有效的帮助,缓解他们的病痛,并最终康复治愈。

来源:综合整理


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