呼吸机系统的基础知识

本应用说明概述了呼吸机系统，重点介绍了精确测量和可靠保护的系统设计。它讨论了气动通风系统的四个关键组成部分：供气、气流混合物、吸气和呼气系统。每个组件中都有各种传感器，包括压力、流量、湿度和温度传感器。这些传感器提供反馈以精确控制电磁阀，以确保风量、压力和空气-氧气混合物以指定的时间间隔输送给患者。系统设计中包括多种故障安全功能和警报，以确保在任何条件下可靠运行。

介绍

现代呼吸机是一种机电设备，旨在以设定的间隔以指定的压力和体积提供精确的空气-氧气混合物。呼吸机提供四种不同的模式来辅助和支持呼吸。这些模式的范围从依靠呼吸机进行生命支持的患者的受控强制通气到可以独立呼吸的患者的持续气道正压通气。基本模式包括：

Positive End-Expiratory Pressure (PEEP)

Continuous Positive Airway Pressure (CPAP)

Controlled Mandatory Ventilation (CMV)

Synchronized Intermittent Mandatory Ventilation (SIMV)

为了以设定的体积和间隔提供精确数量的空气-氧气混合物，呼吸机系统需要精确测量四种模式中每一种的压力、气流和温度。除了精确的气流外，呼吸机还需要连续可靠地运行。为此，呼吸机系统需要处理任何类型的系统故障。这包括电源故障、系统故障和天然气供应短缺。

本应用笔记描述了四个子系统的呼吸机系统框图，包括气体输送系统、气动气体混合系统、吸入系统和呼气系统。

气体输送系统

气体输送系统由氧气罐和空气罐组成，并带有用于对空气罐加压的可选压缩机。使用压力传感器监测各个储罐压力，以确保正确的气体输送。这需要针对精确的压力传感器读数进行优化的可靠信号链解决方案。外部组件为压力传感器测量提供了最大的灵活性和准确性。例如，MAX11128是多通道12位SAR ADC，具有1Msps，与MAX4430低失真运算放大器和MAX6126等低噪声基准配对，可提供非常精确的压力测量。

该精密信号链可确保如果气体供应低于设定压力，系统将发出警报以更换储罐。对于带有可选压缩机的通风机系统，系统可以控制压缩机将空气罐加压到指定压力。参见图1。

图1.呼吸机气体输送系统。

气动气体混合系统

高压气体通过空气调节器，将气体压力降低到系统规格。空气中的氧气含量约为21%。为了根据个体患者的需要增加氧气含量，需要精确控制螺线管，以精确管理空气-氧气混合物的百分比。这需要高精度的12位DAC，如MAX5702。

空气中正确的氧气百分比是空气制备的一个方面。空气混合物也需要加热和加湿，以最大限度地提高舒适度。必须使用温度传感器IC如MAX31875精确测量空气温度。参见图2。

图2.气动气体混合系统

吸气和呼气系统

连接到患者的双管系统以及压力传感器用于检测呼吸模式并测量吸气和呼气期间的压力。 在吸气过程中，压力传感器在患者呼吸时检测负压。这会激活电磁阀以设定的速率和压力释放空气-氧气混合物。如果患者在设定的时间间隔内没有呼吸，呼吸机将机械地提供呼吸。实时时钟（RTC），如MAX31342，为计时提供精确的低功耗方案。

在呼气过程中，呼吸机控制呼气阀以控制呼气过程中的压力。通过使用传感器读数和电磁阀控制，该机构生成呼吸机系统的四种基本模式。参见图 3。

图3.吸气和呼气系统。

呼吸机系统的四种基本模式

呼气末正压 （PEEP） – 在这种模式下，当患者呼气时通过控制阀门来维持呼气压力，以在呼气结束时略微增加肺泡压力。

持续气道正压通气 （CPAP） – 在这种模式下，系统提供恒定的压力，保持气道畅通无阻，用于无需帮助即可呼吸的患者。

受控强制通气 （CMV） – 在这种模式下，呼吸完全由呼吸机控制。以设定的间隔向患者提供设定的体积和压力的空气量。

同步间歇强制通气 （SIMV） – 在这种模式下，呼吸机检测到呼吸并向患者提供设定的体积和压力。如果在设定的时间间隔内未检测到呼吸，呼吸机将自动为患者提供空气。

除了测量和控制空气输送所需的高精度外，还需要故障安全系统来确保连续可靠运行。

设计可靠的保护需要独立的系统监控。许多现代微控制器集成了多种保护功能，包括掉电检测、看门狗定时器和其他类型的保护机制。然而，更可靠的方案部署外部监控和看门狗定时器器件，如MAX16155，以独立监测电源轨并确保软件正常工作。

通过使用外部基本模拟IC，设计人员可以构建高精度和可靠运行的呼吸机。当今的医用呼吸机系统需要精确测量压力、气流、湿度和温度，以优化四种基本模式：CPAP、PEEP、CMV 和 SIMV。此外，呼吸机还需要连续、可靠地运行并处理任何类型的系统故障。为此，设计人员需要使用可靠的保护产品，包括监控和看门狗产品。

审核编辑：郭婷