呼吸机控制策略与工作模式

　　1　引　　言

　　许多文献都提到了呼吸机的通气功能,尤其是针对一些新的通气模式的详尽介绍,我们在这里不再赘述。相反,我们要将这些通气模式从工程技术的角度进行重新解析,从而把通气模式与控制方法有机的联系起来。这项工作往往被以前的研究所忽视,甚至一直有人认为通气模式是一个独立发展起来的体系。事实上,每一种新的通气模式都同步的反映出工程控制技术领域取得的新成果。了解这一点,有助于我们正确理解通气模式的本质。

　　本文以呼吸机输出控制技术的演进为主线,以工作模式背后隐藏着的深刻技术根源为纽带,对呼吸机进行全景式的介绍。通过总结,还提出了对未来通气技术的合理构想。

　　2　呼吸机控制

　　任何一台呼吸机都必须有一个控制电路负责压力、容量以及流量的控制。控制电路作为呼吸机的核心部件,如同人类的大脑一样,监测并指挥着呼吸机的运作。早期呼吸机的控制系统是使用简单的机械部件实现的。今天高性能微处理器则允许我们对呼吸系统的动态变化过程进行更为精确和灵活的控制,从而导致了范围广泛的通气模式的出现。在介绍呼吸机控制之前,我们有必要回顾一下控制的基本原理,以便展开后续的讨论。

　　2.1　基本控制原理

　　2.1.1　开环控制

　　开环控制是一种最简单的控制方式,它的弱点在于无法抗拒外界干扰。开环控制系统由三个子系统构成:即控制器、执行器和受控设备。

　　开环控制在机械通气中唯一的应用实例是一款早期的喷射式呼吸机(Jet Ventilator)。预设好驱动压力后,呼吸机根据设定值按一系列的固定频率和呼吸比开闭气阀。它输送给病人的气体是恒定的,但实际输出的压力和流量却会由于病人呼吸系统阻抗变化而产生波动。因此,设备遇到干扰的情况下,开环系统是无法自行校正的。这种控制方式,并不顾及环境的变化,使得系统输出无法预测。

　　2.1.2　闭环控制

　　为了克服环境变化对输出造成的影响,现代呼吸机普遍使用闭环控制来保持压力和流量稳定。闭环控制通过反馈与预设的输入比较,利用误差值来驱动系统向期望的输出值‘逼近’(图2)。闭环控制正是通过不断的自动调整使系统具有了抗干扰能力。

　　2.2　现代呼吸机控制技术的演进

　　应用闭环控制原理,迄今已发展出了七种不同的呼吸机控制体系。即定点设置控制、自动定点设置控制、伺服控制、自适应控制、优化控制、基于知识和神经网络的控制等。

　　2.2.1　定点设置控制

　　几乎所有的呼吸机都有定点设置功能。在定点设置下,系统强制呼吸机的输出与预设值相匹配。