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为解决现有呼吸机氧气供应受限问题，研究人员研发新型制氧集成呼吸机，实现独立氧合呼吸支持，意义重大。
在医疗急救领域，呼吸机就像是生命的 “守护者”，为呼吸衰竭患者输送氧气，维持生命体征。然而，现有的呼吸机在氧气供应方面却存在着诸多 “短板”。目前，无创呼吸机主要依赖氧气瓶或医院集中供氧站提供氧气，在急救、患者转运等紧急情况下，便捷且可持续的氧气供应至关重要，但实际却面临着机械通气和氧气支持严重短缺的困境。在移动场景中，氧气瓶虽然能为呼吸机提供氧气，但其充装、维护和运输过程繁琐，在一定程度上限制了氧合呼吸支持的应用。
为了突破这些困境，中山大学深圳校区生物医学工程学院和常州大学生物医学工程与健康科学研究所等机构的研究人员开展了一项具有开创性的研究。他们致力于研发一款能够实现独立氧合呼吸支持的呼吸机，无需依赖外部氧气源，为成人提供氧气浓度接近 60% 的通气支持。这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，为急救医疗领域带来了新的希望。
在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，设计了基于涡旋压缩机的压力摆动吸附（PSA）制氧系统，通过优化加工、结构和材料，成功开发出一款无油涡旋压缩机，其排气流量可达 180L/min，重量仅 6kg。其次，设计了空气 - 氧气混合模块和呼吸支持模块，并通过 LabVIEW 2017 开发程序，利用数据采集（DAQ）设备和 PC 实现对呼吸相位检测、呼吸支持压力闭环控制、氧气浓度控制以及制氧工况调整等功能。此外，通过对健康志愿者进行通气实验，评估呼吸机的性能。
下面来具体看看研究结果：
- 制氧系统性能：研究人员对制氧系统的切换时间进行优化，发现最佳增压时间和均压时间受流量影响不明显。在不同压缩机转速下，确定了最佳切换时间，如 1500rpm 时为 4.7s/0.5s、1800rpm 时为 4.5s/0.5s、2000rpm 时为 4.2s/0.5s。随着增压和均压时间增加，氧气浓度先升后降，存在最大值。当转速为 2000rpm 时，该制氧系统能以 93 ± 3% 的氧气浓度输出 17L/min 的流量，输出氧气含量最高时流量为 26L/min，此时氧气浓度为 79%。
- 通气时氧气浓度：在设定吸气正压通气（IPAP）为 10cmH?O、呼气正压通气（EPAP）为 4cmH?O 的条件下，对集成呼吸机的氧气浓度进行测试。结果显示，相比市场上最大流量 10L/min（氧气浓度大于 90%）的移动医疗制氧机，该集成呼吸机在 26L/min 流量下，可将呼吸端的氧气浓度进一步提高到 58%，实现了 20% 的增长。在控制氧气浓度为 50% 时，每个参与者的平均氧气浓度误差保持在 ±0.2% 以内，标准差小于 1.3%。而且，在 10L/min 和 17L/min 流量下，女性获得的氧气浓度显著高于男性；26L/min 时，女性平均氧气浓度也较高，但差异未达统计学意义，这可能与样本量较小有关。
- 人机呼吸同步性：通过记录呼吸流量、压力和胸部运动来评估呼吸同步性。结果表明，控制器能成功识别吸气相开始，风机及时提供支持空气达到 IPAP。吸气触发延迟（ITD）大于吸气感应延迟（ISD），两者差值约 110 - 130ms，ISD 约 62 - 70ms。不同性别和体位下，ITD 和 ISD 无显著差异。该集成呼吸机实现了良好的呼吸同步，在吸气和呼气阶段均能提供相应压力，无呼气压力超调，气流与吸气努力相匹配，氧气浓度基本稳定在 50% 左右。此外，研究还发现，个体在坐姿时呼吸频率（RR）较高，女性 RR 更大、吸气呼气比（I:E）更小，男性潮气量（TV）显著大于女性，坐姿 TV 大于仰卧位。
研究结论和讨论部分指出，这款新型移动制氧集成呼吸机具有重要意义。它首次将制氧和呼吸支持系统设计相结合，摆脱了对外部氧气源的依赖，能在 BiPAP 呼吸支持下提供高于 55% 的氧气浓度，满足现场急救、患者转运等场景下的氧合呼吸支持需求。采用的涡旋压缩机提高了制氧流量和效率，优化的氧气供应策略使呼吸端氧气浓度显著提升，系统总功耗低于 700W，仅靠电力就能实现氧合呼吸支持，维护需求低，有望革新当前的急救模式。不过，该研究也存在一定局限性，如目前只是原型系统，难以实现有创通气，缺乏对相关呼吸疾病患者的实验，涡旋压缩机在产品中的可靠性还需进一步验证等。但总体而言，这项研究为未来的急救医疗设备研发提供了宝贵的参考，推动了相关领域的发展。
