基于气动比例控制的新型分布式模块化机械通气系统

任 帅, 王 波, 王 涛

(1.北京理工大学自动化学院, 北京 100081; 2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院, 北京 100191)

引言

新型冠状病毒肺炎(以下简称新冠肺炎)疫情迄今已蔓延至200多个国家和地区,累计确诊病例超4.4亿例,重症患者死亡率为1.4%～4.5%[1]。本次疫情对人民生命财产安全、身体健康、社会稳定和经济发展造成了不可估量的影响。

机械通气是利用呼吸机来协助病人呼吸,维持病人气道通畅和氧合,为原发病治疗争取时间的一种重要医疗手段,特别是在危重症新冠肺炎患者的救治过程中发挥了不可替代的作用。目前医用呼吸机按照驱动方式不同可分为气动电控呼吸机(压缩机供气)和电动电控呼吸机(微型涡轮风机供气)两类。受驱动方式所限,单台呼吸机只能满足单个病人的呼吸支持治疗。疫情初期,大量的危重症患者由于呼吸机的短缺而没有接受及时的呼吸支持治疗,最终导致死亡;后疫情阶段,由于呼吸机生产过剩,大量的呼吸机闲置,造成极大的资源浪费。所以,为了高效应对大规模突发性传染性疾病患者的机械通气治疗,提升机械通气治疗的自动化、智能化程度,降低医护人员工作强度和交叉感染风险,研究新型的高效、智能化机械通气系统势在必行。

新冠疫情期间,世界各国为了应对呼吸机短缺的问题,主要对以下两种方案进行了研究: 研究一台呼吸机的多人使用方式[3-11];研发简易呼吸机[12-18]。

一台呼吸机的多人使用方式通过在原有通气管路上加装三通接头实现。多位学者针对此系统进行了理论和实验研究。英国巴斯大学PLUMMER A教授[2,5]提出了针对呼吸机多人使用情况的患者呼吸力学参数辨识方法,根据呼吸力学参数辨识情况来调整呼吸机设置参数。TRONSTAD C等[3]对多人共用一台呼吸机的方案进行了技术评估。SILVA A等[4]设计了针对多人共用呼吸机的三通接头。ROY S等[6]为了避免多人使用造成的交叉感染,设计相应的吸气和呼气阀门。

虽然此种方式能够增加呼吸机的利用率,但是不同患者在治疗过程中必须使用同一套机械通气参数,不仅无法满足不同患者的通气需求,引起患者过量通气或通气不足,而且由于管路的共用极易导致交叉感染,危害患者生命安全。美国危重症医学会、呼吸治疗学会等权威机构也指出:由于存在安全性问题,不推荐危重症患者采用多人共用呼吸机的方式[7-9]。

此外,为了有效应对呼吸机短缺问题,大量研究人员对简易型呼吸机进行了研究。SZLOSAREK R等[12]设计了一种急救使用的低成本呼吸机,以气罐内压缩空气为气源进行供气,能够实现简单的压力调节模式。DOMENECH-METRE C等[13]设计了一种利用急救气囊的低成本呼吸机,通过对气囊的周期性压缩来进行供气,采用相同原理的简易呼吸机在文献[14]也有提出。斯坦福大学的Dally等[15]设计了基于气动比例阀的简易呼吸机,通过对比例阀的调节实现压力控制和容积控制通气模式,相似的研究成果在文献[17]也有提及。

简易呼吸机虽能在一定程度上解决呼吸机急缺的问题,但是由于设计简单、操作不便捷,多种常用的机械通气模式并未实现,在呼吸治疗效果上大打折扣;此外,目前简易呼吸机的设计未解决机械通气效率低下的问题,无法从根本上有效应对大规模突发性传染性疾病的呼吸救治工作。

本研究在分析现有呼吸机工作原理的基础上,提出了一种基于气动比例控制的新型分布式模块化机械通气系统,充分利用压缩空气管网的分布式特性,构建了融合流量比例阀与电磁开关阀的模块化呼吸控制单元;在此基础上,构建了整个系统的数学模型,搭建了系统的实验平台,进行了实验研究,结果表明该系统不仅能实现现有呼吸机的常用通气模式,而且针对每个通气回路能够实现单独控制,互不干扰,有望解决重大疫情灾害下呼吸机短缺问题。

1 分布式模块化机械通气系统设计

1.1 呼吸机工作原理

呼吸机通过涡轮风机或医用空压机以高于标准大气压的压力向患者供气(供气压力范围0～40 cmH2O),从而使患者肺部充盈,代替或协助患者完成吸气动作,随后呼吸机停止供气,呼气阀打开,患者通过胸廓和肺的被动性回缩完成呼气动作。目前呼吸机采用微电子控制系统,利用高精度的流量、压力传感器和控制阀完成吸气、呼气的灵敏切换,从而完成整个机械通气过程。

1.2 分布式模块化机械通气系统气路结构

本研究设计的分布式模块化机械通气系统气路结构如图1所示。利用医院现有的空压机站作为系统的气源,压缩气经过过滤器对杂质进行过滤,然后通过减压阀进行减压,使压力满足后端比例阀需求,比例阀和压力、流量传感器一起构成闭环控制回路,使供气压力、流量按设定输出。

1.气源 2.过滤器 3.减压阀 4.电磁阀 5.比例阀 6.压力传感器 7.流量传感器

当患者需要吸气时,电磁阀4关闭,比例阀5按照患者所需通气模式需求进行输出压力和流量的比例调节,压力、流量传感器实时监测反馈通气管路内的压力和流量。吸气结束后比例阀5关闭,电磁阀4打开,患者经呼气回路进行排气,电磁阀4与压力传感器配合对患者的呼气末压力进行控制,防止患者气道塌陷。至此完成一次机械通气循环。

虚线框内结构为一个模块化机械通气单元,可以满足一个患者的机械通气需求,通过分布式方式对模块化机械通气单元进行扩展,可以实现大量患者的机械通气需求。不同机械通气单元可配置单独的边缘控制器进行控制,也可将信号汇入主控制器进行统一控制。通过对各单元内比例阀、电磁阀的控制调节可以实现呼吸机的压力控制、容积控制、压力支持等各种通气模式,各个单元间采用各自设定的供气压力、潮气量、呼吸频率等参数进行通气,互不干扰。因此,本研究提出的分布式模块化机械通气系统可有望应对重大突发疫情灾害下呼吸机短缺问题。

2 系统数学建模

因为多个模块化机械通气单元结构一致,本研究只对单个机械通气单元进行数学建模。

气体流经阀可看作是一维等熵流动[18],流量简易计算模型如下:

(1)

式中,Q—— 标准状态(100 kPa,20 ℃,相对湿度65%) 下的体积流量,L/min

Se—— 有效截面积,mm2

pu—— 呼吸系统入口处压力,MPa

pd—— 呼吸系统出口处压力,MPa

θ—— 温度,K

在病人端,呼吸力学参数是反应呼吸系统功能的重要指标。呼吸力学参数主要包含有弹性阻力(肺顺应性)和非弹性阻力(气阻)。这两个参数的变化可以很好的体现呼吸系统的状态,对临床医生诊断病情具有一定的指导意义。

呼吸系统顺应性如下式所示:

(2)

式中,C—— 顺应性

V—— 容量

p—— 气体压力

ΔV—— 肺容积变化量

Δp—— 气体压力变化量

在呼吸力学研究中,气体压力单位常取cmH2O,在标准大气压下,1 cmH2O近似等于98 Pa,本研究中,病人端的气体压力单位采用cmH2O。

呼吸系统气阻如下式所示:

(3)

式中, Δp—— 呼吸系统内的压力降

Q—— 气体的体积流量

由于呼吸系统中气体的传输类似于电路系统中电流的传输,因此,对于病人端的机械通气系统我们采用基于电路系统的数学建模方法。患者呼吸系统模型如下式所示:

(4)

其中,p为呼吸系统入口处压力。在本研究中未考虑通气管路的影响,因此呼吸系统入口压力与比例阀后端压力相等。

3 实验研究及结果分析

在本研究中只搭建了两路模块化机械通气单元,实验研究中所用元器件如表1所示。整个实验系统如图2所示。

表1 实验系统元器件Tab.1 Components of experimental system

1.比例阀 2.电磁阀 3.控制器 4.压力、流量传感器 5.模拟肺 6.电脑

压力控制通气(Pressure control mode, PCV)和容积控制通气(Volume, control mode, VCV)为呼吸机最常见的两种通气模式。压力控制通气的原理:呼吸机按照设定的吸气压力进行供气,达到设定的吸气时间后切换为呼气状态,患者靠自身呼吸肌肉回缩完成呼气动作,直至一个呼吸周期结束。容积控制通气的原理:呼吸机按照恒定流量对患者进行供气,达到设定的吸气时间后切换为呼气状态,呼气过程与压力控制通气一致。

在本研究中采用比例-积分(Proportional Integration, PI)控制方法对系统输出的压力和流量进行控制。实验中两个机械通气单元分别进行VCV模式和PCV模式通气,模拟不同患者的机械通气需求。实验设置参数如表2和表3所示,实验结果如图3、图4所示。

表2 VCV模式实验设置参数Tab.2 Experimental setting parameters of VCV mode

表3 PCV模式实验设置参数Tab.3 Experimental setting parameters of PCV mode

图3 容积控制通气模式下压力与流量Fig.3 Pressure and airflow under VCV mode

图4 压力控制通气模式下压力与流量Fig. 4 Pressure and airflow under PCV mode

根据图2、图3的实验与仿真结果可以看出,实验与仿真曲线基本吻合,通过计算,在VCV模式下仿真与实验结果误差在3%以内,在PCV模式下误差在6%以内。在呼气结束阶段出现的流量尖峰主要是由于电磁阀关闭导致的流量波动所致。

另外,实验结果表明本研究设计的新型机械通气系统能够实现传统呼吸机的VCV和PCV通气模式,能够满足机械通气患者的基本需求。该系统能够根据患者需求以不同的模式、不同的设定参数同时进行通气,各通气单元之间独立工作,互不干扰。能够实现更加高效的机械通气治疗。

4 结论

针对当前新冠疫情影响下呼吸机短缺、治疗效率低的问题,本研究在分析现有呼吸机工作原理的基础上,提出了一种基于气动比例控制的新型分布式模块化机械通气系统。完成了整个系统的数学建模,搭建了系统的实验平台并进行了实验研究,实验结果很好的验证了数学模型的准确性,此外,实验结果证实了该系统不仅能实现现有呼吸机的常用的VCV,PCV通气模式,而且对每个通气回路能够实现单独控制,互不干扰。

虽然本研究只进行了两路模块化机械通气单元的实验研究,但基于本研究提出的设计原理和系统模型,可以对通气单元进行扩展,有望实现对当前机械通气系统以及呼吸机、氧疗机等呼吸支持设备的革新,解决重大疫情灾害下呼吸机短缺问题。