智能人工呼吸床系统的设计与仿真

　　1　引言

　　机械通气(mechanical ventilation, MV)技术起源于上世纪20年代, 60-70年代该技术得到了较快的发展[1],如今,用辅助呼吸机械抢救呼吸衰竭患者已成为现代医院不可缺少的手段。近几十年来,呼吸机技术发展极为迅速,到上世纪90年代初,世界呼吸机专业制造厂商已达20余家[2]。长期以来,在机械通气模式上,正压通气一直主导着机械通气领域的发展方向,绝大多数呼吸衰竭患者的救治靠正压通气完成,尽管应用正压通气技术已经挽救了无数危重病患者的生命,但正压通气存在诸如气管切开、呼吸机肺炎和撤机难等缺陷。正压通气不良反应发生的根源主要是由呼吸道的开放和向肺内生压、硬灌高压气体的方法违背了人的正常负压呼吸的生理特点所致,因此,各国都在寻求更加安全有效的新的机械通气方法。

　　针对正压通气模式存在的诸多缺陷,结合现代人体生理学和智能控制技术,本文提出了一种新型的基于“人工呼吸床(椅)”实用新型(专利申请号: 20042001504106)的智能人工呼吸床。该实用新型在机械通气领域提出了符合人体呼吸生理的创新理念,巧妙地运用与呼吸同步变换体位和对斜伏卧位悬空腹变压的方法,通过重力和惯性力的作用,充分调动、发挥膈肌的呼吸潜能,使肺潮气量成倍地增加。本文将分别从机械设计、智能控制和仿真研究三方面介绍该实用新型的产品转化过程。

　　2　同步变压、同步变位、同步变位压原理

　　同步变压、同步变位和同步变位压[3, 4]是“人工呼吸床(椅)”实用新型的核心理论,其打破了正压机械通气的传统模式,通过充分利用横隔膜在呼吸过程中的效用,提高呼吸潮气量,在机械通气领域取得了里程碑式的进步。

　　图1为同步变位、同步变压和同步变位压实验用床示意图。仰卧同步变位时,当患者开始吸气后,人体由平躺变为倾斜,此时横隔膜因受到重力和惯性力的作用而向足侧移动,形成肺内负压,辅助吸气;而当患者开始呼气后,人体由倾斜变为平躺,此时横隔膜因受到重力和惯性力的作用而向头侧移动,对肺部形成正压,辅助呼气。伏卧同步变压,是令患者斜伏卧在有腹下托板的床体上,当患者开始吸气后,腹下托板从床面位置开始下移最终至脱离腹部的位置,此时患者腹部悬空、下垂,拉动横隔膜向足侧移动,形成肺内负压,辅助吸气;当患者开始呼气后,腹下托板开始向上复位,最后恢复至床面位置,此时患者腹部被向上托压,横隔膜向头侧移动,形成肺内正压,辅助呼气。同步变位压,是伏卧同步变位和同步变压的双重作用,能更有效地形成肺内正、负压,辅助呼、吸气。智能人工呼吸床是依托以上创新理论、方法的“人工呼吸床(椅)”实用新型,开发为新型、安全、高效的机械通气装置和广大慢阻肺患者的保健康复治疗椅。