Nguyên lý cấu tạo máy thở

Máy thở là thiết bị y tế tinh xảo, được dùng rộng ri để hỗ trợ sự sống cho các bệnh nhân nặng, đặc biệt là các bệnh nhân nằm trong khoa Điều trị Tích cực. Do vậy máy thở có cấu tạo rất phức tạp, tuy nhiên chúng đều có các đặc điểm chung. Khi nắm bắt được nguyên lý cấu tạo của my thở, các bác sỹ là đặc biệt là các bác sỹ hồi sức sẽ tự tin hơn trong vận hành máy thở, đạt hiệu quả hơn trong thông khí nhân tạo.

Cách tạo áp lực

Các máy thở đều dựa vào nguyên lý tạo ra chênh lệch áp lực nhằm đưa khí vào trong và ra ngoài phổi của bệnh nhân để thực hiện quá trình thơng khí. Để tạo ra chênh lệch áp lực áp lực này, các máy thở có thể sử dụng áp lực dương, áp lực âm hoặc phối hợp cả hai.

Các máy thở áp lực âm tạo ra áp lực âm ngoài lồng ngực. Áp lực âm ngoài lồng ngực làm nở thành ngực ra và không khí đi vào phổi bệnh nhân. Các loại máy thở này có vẻ rất sinh lý nhưng rất khó kiểm soát thông khí cho bệnh nhân và có nhiều hạn chế. Điển hình cho loại máy thở này là “phổi thép” (“iron lung”).

Các máy thở áp lực dương tạo ra áp lực dương bên trong phổi, làm căng và nở phổi ra. Các loại máy thở này tạo ra áp lực dương trong lồng ngực, ngược với sinh lý. Tuy vậy đây là loại máy được dùng phổ biến trong các khoa

Điều trị Tích cực vì nó cho phép các bác sỹ hồi sức can thiệp mạnh và kiểm soát tốt hơn thông khí của bệnh nhân.

Ở loại này người ta còn phân chia chúng thành các máy thở thể tích, áp lực và kết hợp giữa thể tích và áp lực.

Các máy thở phối hợp áp lực tạo ra áp lực dương trong phổi và áp lực âm ngoài lồng ngực. Việc phối hợp này làm giảm đi áp lực dương trong lồng ngực, hạn chế được nhiều nhược điểm của thông khí nhân tạo áp lực dương.

Tuy nhiên hiện tại mới chỉ có máy Engstrom 150 sử dụng phương pháp này nhưng hiệu quả còn rất thấp.

Năng lượng

Các máy thở có thể sử dụng nguồn năng lượng điện (năng lượng = điện thế x cường độ xthời gian) hoặc sử dụng nguồn năng lượng khí nén (năng lượng = áp lực x thể tích)

Năng lượng điện

Một số máy thở sử dụng điện xoay chiều để hoạt động. Hầu hết các máy thở loại này dùng điện để chạy môtơ của quạt thổi, piston. Một số máy hiện đại sử dụng nguồn điện để chạy máy tính, giúp điều khiển hoạt động của máy thở. Một số máy còn có hệ thống ắc-qui hoặc pin sạc, và do vậy máy có thể hoạt động được trong điều kiện không có điện lưới, mất điện hoặc khi vận chuyển bệnh nhân.

Năng lượng khí

Một số máy sử dụng khí nén để chạy máy. Các loại máy thở chạy hoàn toàn bằng khí nén chủ yếu là các máy thở cũ (Bird Mark 7, Bird Mark 8, PR2...). Các máy được vận hành bằng khí nén đều có van giảm áp, đảm bảo máy hoạt động liên tục trong điều kiện áp lực khí nén trong đường ống dẫn không đảm bảo. Các máy chạy hoàn toàn bằng khí nén thường được sử dụng trong quân y, và vận chuyển bệnh nhân. Ngòai ra có một số máy thở sử dụng hiệu ứng gây ra khi có dạng khí chảy tốc độ cao (hiệu ứng Venturi) để tạo năng lượng chạy máy thở (fluidic ventilator). Các máy thở loại này (fluidic) có thể được sử dụng trong các phòng chụp MRI. 

Kết hợp năng lượng khí và điện

Hiện nay các máy thở hiện đại được sử dụng trong các khoa Điều trị Tích cực thường kết hợp cả điện và khí nén để hoạt động. Các loại máy này thường dùng 2 nguồn khí nén (ôxy và khí trời) để tạo nên dịng khí thì thở vào. Tốc độ hình dạng dịng khí thở vào được điều khiển bằng máy tính. 

Hệ thống vận hành khí

Hệ thống vận hành khí là hệ thống sinh ra áp lực dương, tạo nên thì hít vào. Hiểu được hệ thống vận hành khí, chúng ta dễ dàng hiểu được đặc điểm của kiểu dịng thở vào, hiểu được đường cong áp lực và tỷ lệ I/E...Có thể dùng trực tiếp khí nén hoặc gián tiếp thông qua các piston, motor để tạo nên áp lực dương.

Khí nén và van giảm áp (PB 7200, PB 840; Servo 900, Servo 300; Evita 2 dura, Evita 4; N.M. Systems Graph; Galileo; Engstrom Erica IV).

Các loại máy dùng khí nén làm hệ thống vận hành khí thường sử dụng van giảm áp. Sau đó mỗi một loại máy có các cách khác nhau để đưa khí vào tới bệnh nhân. Hầu hết các máy (PB 7200, PB 840, Evita 2 dura, Evita 4,Servo 300....) đều trực tiếp sử dụng khí nén (khí ôxy và khí trời) để đưa thẳng tới bệnh nhân sau khi đã thực hiện trộn ô xy với khí trời. Servo 900 lại dùng khí nén để nén lực cho một lò xo, sau đó lực lò xo này sẽ nén đàn xếp chứa khí trộn đưa khí tới phổi bệnh nhân. Một số loại máy khác như máy Engstrom Erica 4 lại dùng khí nén để nén túi chứa khí trộn.

Ưu điểm: Hệ thống vận hành khí hoạt động trực tiếp dưới tác dụng của khí nén, nên khả năng tạo áp lực dương rất nhanh, nhậy và mạnh. Các máy này có thể thở PC rất tốt. Một ưu điểm đáng kể khác là máy chạy rất êm không gây ra tiếng ồn.

Nhược điểm: Các máy thở loại này đều đòi hỏi khí nén và ô xy trung tâm. Nếu không có khí nén thì bắt buộc máy phải có thêm hệ thống khí nén đi kèm. Chính 2 điều này làm cho giá máy cao hơn rất nhiều so với các loại máy khác

Quạt thổi (T-Bird, Esprit...)

Các máy thở loại này dùng quạt thổi tốc độ cao để tạo ra áp lực dương của hệ thống vận hành khí. Các loại máy dùng quạt thổi không cần tới khí nén, nên có thể sử dụng ở những nơi không có khí nén trung tâm. Tốc độ quạt thổi có thể được điều khiển bằng máy tính nên có thể tạo nên các dạng dòng khí thở vào khác nhau như dạng vuông, dạng giảm dần, dạng hình sin. Tuy vậy quạt thổi rất dễ hỏng do phải hoạt động liên tục ở mức độ cao.                                                    

Piston (Acoma, PB 740, PB 760, Lifecare 100 và 102, Emerson 3-PV, Emerson IMV, MA-1, Bear 2, Sechrist 2200).

Các máy thở loại này dùng piston để tạo ra áp lực dương cho hệ thống vận hành khí. Nhóm này được chia ra làm 2 loại tuỳ theo kiểu piston.

Piston trục thẳng (Linear piston): loại máy thở sử dụng piston trục thẳng thường tạo ra dạng khí thở vào có tốc độ cố định (dạng vuông) và do vậy làm tăng dần áp lực trong đường thở bệnh nhân.

Gần đây một số máy (PB 740, 760) sử dụng chất liệu mới có độ ma sát thấp để sản xuất piston và xylanh, do đó không cần một lực mạnh để di chuyển piston. Đồng thời tốc độ di chuyển của piston được điều khiển bằng máy tính, nên một số máy có thể tạo ra các dạng dòng thở vào khác như giảm dần, hình sin.

Piston trục cam (Rotary piston): Các máy thở sử dụng piston trục cam sẽ đẩy khí theo kiểu hình sin tạo nén một thì hít vào gần sinh lý hơn so với kiểu dạng hình vuơng. Điển hình cho loại này là Lifecare 100 v 102.                                                

Các máy thở sử dụng piston thường được lựa chọn cho những nơi không có khí nén, trong vận chuyển bệnh nhân.                                                                                    

Hệ thống điều khiển

Gồm có 2 loại: Hệ thống điều khiển mở (open-loop) và hệ thống điều khiển kín (close-loop). Hệ thống điều khiển mở là hệ thống điều khiển các hoạt động của máy thở nhưng không kiểm tra hiệu quả của các hoạt động đó. Ví dụ một máy thở được đặt thông số Vt = 500 ml, và máy thở sẽ đưa vào phổi bệnh nhân 500 ml khí, nhưng nếu đường thở bị hở thì lượng khí vào phổi bệnh nhân không còn đủ 500 ml, nhưng những máy có hệ thống điều khiển mở không phát hiện ra sự thiếu hụt này. Ngược lại hệ thống điều khiển kín vừa thực hiện các hoạt động của máy thở vừa kiểm tra hiệu quả của các công việc đó. Gầy đây một số máy còn có khả năng tự điều chỉnh hoạt động nhằm đạt được các thông số đã được đặt bởi các bác sỹ.