Article Info

[摘要]本文阐述了一种安装在呼吸机氧气、空气进气端过滤装置的研制过程。该装置主要由透明管壁、过滤芯、气动接口等结构组成，具有过滤呼吸机气源颗粒物、病菌并可以随时观察气源状况等特点，能够解决呼吸机气源不良带来的各种问题。临床使用效果表明，该装置能有效滤除呼吸机气源中的各种颗粒物质，延长呼吸机使用寿命，降低呼吸机相关性肺炎发生几率。

[关键词]呼吸机；医用中心供气系统；高效粒子空气过滤器；过滤芯；气动快速接头

引言

随着生物医学工程和呼吸治疗学科的快速发展，呼吸机技术已比较成熟，但无论何种类型的呼吸机都离不开驱动气源，呼吸机本质上就是一种气体开关，其控制系统通过对气体流向的控制而完成辅助通气。驱动气源主要是指医用氧气瓶、医用空气压缩机、内部涡轮和医用中心供气系统，这些装置的主要作用就是提供具有足够压力、清洁、无菌、干燥的空气和氧气来驱动呼吸机。无论何种气体，通过产生、存储、运输、使用环境等过程后会直接参与呼吸循环，而针对呼吸机气源的要求只有压力参数，无任何有效措施监控进入呼吸机的气体质量是否无尘无菌。

目前由呼吸机气道管路细菌污染导致的呼吸机相关性肺炎占比较大，即使认真执行呼吸管路清洗消毒规范仍然无法完全避免感染的发生[1]。首先引入两个概念，气源传染和气源污染。气源传染可理解为气体之间相互流通，例如有医用空压机和带涡轮的呼吸机，患者排出废气与医用空压机或涡轮吸气循环[2]。有效吸气滤芯都是在设备内部，可清洗消毒的仅是设备外部的过滤网，只能滤除肉眼可见较大灰尘和漂浮物吸入，根本无法阻止细菌和微粒，当内部滤芯达到饱和即会出现气源传染。气源污染理解为气体在填充、运送过程中接触到细菌和微粒的情况，例如非无菌环境下填充医用氧气瓶运送安装在呼吸机上，或者医用中心供气系统更换滤芯间隙以及管路升级、改造施工中带进管路中的细菌和微粒[3]。

以ICU内的呼吸机使用为例，呼吸机正常工作时，至少有一根皮管与驱动气源连接（空气或者氧气）。医用氧气瓶在填充运送安装者多非医务人员，在操作工程中瓶箍、瓶阀处极易粘附细菌或微粒，医用空气压缩机进气端通常在离地面很近，过滤网清洁不彻底，地面残留污物等，医用中心供气系统通常在远端，经过大量管路传输分流、温度湿度变化、施工改造等因素到达呼吸机进气端时气源品质变化在所难免[4-6]。各类医用气体在制造出来的时候都是清洁干燥、无尘无菌的，但是经过运输、存储、安装等过程及使用环境的影响后，无法保障进入的气体是否无菌。呼吸机内部只能针对气体压力、电源和各控制阀是否工作正常报警，与外部一样没有监测和过滤气体功能的部件。驱动气源直接参与患者呼吸道循环，即使严格管理呼吸管路消毒工作，或者采用一次性无菌呼吸管路连接患者，也不能消除来自驱动气源的细菌和微粒[7-11]。

本文研究设计了一种安装在呼吸机近端空气和氧气皮管间的过滤装置，使得驱动气源经过滤装置后直接参与呼吸循环，由呼吸机控制通过无菌管路与患者连接，能有效减低驱动气源带来的细菌和微粒。该过滤装置体积小、重量轻、拆装方便，更重要的是通过观察过滤装置，能粗略监测驱动气源在呼吸机进气端整体质量，衡量供气方式和供气系统是否需要调整和维护。呼吸滤装置流程图，见图1。

图1 呼吸过滤装置流程

1 过滤装置的研制

过滤装置的设计思路来源于精密输液器，精密输液器能有效的滤除2 μm以上的微粒，将这种过滤微粒的原理运用在呼吸机驱动气源上，根据静脉输液和压缩气体的流速不同，以及过滤材料在液体和气体阻力不同，设计呼吸机过滤装置的滤芯材料、接口种类、合理的内部结构[12-13]。

呼吸机使用规范要求驱动气体的压力不小于0.4 MPa，过滤装置需要安装在进气端的管路上，那么在材料选择、外形结构和接口设计上也必须要能承受0.4 MPa以上的压力。经过各种材质的对比研究后，使用聚氨酯制作的透明材料为过滤装置的外壳。聚氨酯便于加工、韧性强，可承受压力为0.8 MPa，可以满足呼吸机驱动气源压力要求，而透明的外观可让使用者直接观察内部过滤芯使用情况。

通常空气中的细菌大小在0.5 μm以上，目前能够到达过滤细菌级别的是高分子材质做成的HEPA材料，它对直径为0.3 μm以上的微粒去除效率可达到99.97%以上，是烟雾、灰尘以及细菌等污染物最有效的过滤媒介。且其具有风阻小、容尘量大、过滤精度高的特点，可以加工成各种尺寸、形状和类型，各种滤纸材料的特点，见表1。呼吸机对气源压力要求不得低于0.4 MPa，使用熔喷长纤维滤芯材料可数层折叠提高过滤效果并仍保持较低风阻，保证呼吸机正常运转所需气源压力，通过透明聚氨酯材料观察熔喷长纤维颜色变化即可得知滤芯是否失效。

表1 滤纸材料对比

一次性的设计理念需要经常更换过滤装置，接口采用的是气动快速接头，见图2。通常一台呼吸机需要配用两个过滤装置（空气和氧气皮管各一个），首先需要安装接头，将呼吸机进气端的空气和氧气皮管割断开，接头分别插入割断的皮管并用喉箍勒紧防止漏气，安装过程完毕[14]。更换过滤装置时，用力按压接头顶端圆管后插入或拔出过滤装置即可，整个过程只需要几十秒，只需要注意过滤装置的安装方向即可。

图2 快速气动接头

根据气体动力学原理，为了缓冲进入过滤装置的气体压力，将过滤腔设计为驱动气源皮管内径的一倍，并且用一个锥形坡面让压缩气体充分接触过滤芯，以达到良好的过滤效果。为了防止过滤芯在气流冲击下发生变形陷入管道内，在装置出口处设计了一个比管道口略大的网状金属挡板，使过滤芯受力均匀不发生变形。过滤装置结构图，见图3。

图3 过滤装置结构图

2 应用效果

安装了过滤装置的呼吸机经过一周的连续使用，从外部观察过滤装置滤芯材料颜色有明显变化。剖开过滤装置展开滤芯材料观察，发现滤芯内部出现黑黄色污渍，根据滤芯材料参数确认滤芯已达到饱和状态，滤芯使用寿命远小于正常通风条件下。这也间接说明过滤装置的寿命和呼吸机使用时间成正比，呼吸机驱动气源内确实有微粒直接参与呼吸通气，可能会对患者及呼吸机内部造成危害。

3 结论

本文设计提出一种安装在呼吸机进气端，可过滤0.3 μm以上的微粒的一次性过滤装置，该装置可有效减少进入呼吸循环的细菌数量，降低呼吸机相关性肺炎的发生。并且可通过观察分析化验过滤芯，提供驱动气源质量监测的初步数据，为驱动气源的规范化管理和延长呼吸机使用寿命提供帮助。

[1] 洪厚云.浅谈医用氧气瓶的安全管理[J].安徽医学,2012,33(6): 781-782.

[2] 洪厚云,潘黎红.浅谈医用氧气瓶的安全管理[A].2005年小型空分设备技术交流会论文集[C].武汉:深冷技术,2005:93-97.

[3] 唐欢.预防呼吸机相关性肺炎护理进展[J].齐鲁护理杂志,2010, 16(4)4:43-46.

[4] 郑洋.浅析医用压缩空气系统供气安全[J].中国医院建筑与装备, 2010,(3):44-45.

[5] 史源.中国新生儿呼吸机相关性肺炎的临床现状与研究进展[J].实用儿科临床杂志,2010,25(22):1691-1693.

[6] 周亚旭,胡兆燕,詹敏,等.无创呼吸机涡轮的研究[J].中国医疗器械杂志,2008,32(2):97-99.

[7] 曹志新,王辰.无创通气管路漏气时自动触发对人机交互作用的影响[J].中华结核和呼吸杂志,2008,31(2):116-119.

[8] 黄素红.医院医用供气系统建设及管理的几点体会[J].医药前沿, 2014,(17):46-47.

[9] 陈渡平,王征,钱欢,等.呼吸机中心供气与空压机供气自动切换装置[J].中国医疗器械杂志,2007,31(6):452.

[10] 冯海丽.39例ICU呼吸机相关真菌性肺炎的护理[J].中华护理杂志,2013,48(10):936-937.

[11] 关红,沙丽艳,王跃,等.ICU呼吸机管道及附属部件感染菌株分析[J].中国实用护理杂志,2009,25(10):57-58.

[12] 徐珍荣,王志娟,姜冬梅.呼吸机湿化罐专用过滤纸巧用于人工鼻[J].中国危重病急救医学,2011,23(7):440.

[13] 李丽娜.呼吸机相关性肺炎的高危因素分析及护理措施[J].解放军医药杂志,2012,24(3):67-70.

[14] 蒋旭宏.载银二氧化钛抗菌涂层气管插管导管的研制和基础研究[D].浙江:浙江中医药大学,2014.

MAO Jing-ning
Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Command, Nanjing Jiangsu 210002, China

Abstract：This paper described the development process of a filter device installed on the oxygen and air inlet end of the ventilator, which was mainly comprised of a transparent tube wall, a filter element, a pneumatic interface and other structures. The filter had the characteristics of filtering the air particulate matter and pathogen of the respirator as well as real-time observation of the gas source condition, and could solve various problems caused by the poor gas source of ventilators. Clinical results showed that the device could effectively filter out all kinds of particulate matters in the air source of respirator, prolong the service life of the machine, and reduce the incidence of ventilator associated pneumonia.

Key words：ventilator; medical center gas supply system; high efficiency particulate air filter; filter element; pneumatic quick connector

一种一次性呼吸机进气端过滤装置的研制

引言

1 过滤装置的研制

2 应用效果

3 结论