基于自动定量吸入器给药系统的机械通气患者吸呼协调机制优化研究

《Journal of Medical and Biological Engineering》：Towards an Improved Understanding of the Actuation-Inhalation Coordination in Ventilated Patients Using an Automated Metered Dosage Inhaler (MDI) Delivery System

本研究针对机械通气COPD患者支气管舒张剂给药过程中存在的吸呼协调难题，开发了集成呼吸检测功能的自动MDI给药系统。通过压力/流量传感器实时监测呼吸相位，采用伺服驱动凸轮机构实现吸入起始0.14秒内的精准给药，显著优于人工操作的变异性（0-0.2秒最优区间符合率100%）。该系统为ICU规范化气道管理提供了技术支撑，有效提升药物肺部沉积效率。

　　

在全球范围内，慢性阻塞性肺疾病（COPD）作为进行性呼吸系统疾病，已成为导致死亡的主要病因之一。其特征性持续性气流受限使患者呼吸困难，常伴有慢性支气管炎和肺气肿等病理改变。尽管支气管舒张剂吸入治疗是COPD管理的核心手段，但机械通气患者通过定量吸入器（MDI）给药时存在显著技术瓶颈——医护人员需要精准协调按压给药与患者吸气动作的时机，这种人工操作的变异性直接影响药物在气道的沉积效率，进而影响治疗效果。

为攻克这一临床难题，开普敦大学生物医学工程分院的Sudesh Sivarasu团队在《Journal of Medical and Biological Engineering》发表了创新性研究。他们研发的自动MDI给药系统通过智能传感与机械传动技术，实现了给药动作与呼吸周期的自动化同步。该系统核心突破在于将给药延迟控制在吸入起始后0.14秒内，显著优于人工操作的不稳定性，为提升危重症患者气道管理水平提供了技术保障。

关键技术方法主要包括：1）采用压力传感器（NXP MPX5010DP）和数字流量传感器（Sensirion SFM3000-200 C）构建呼吸检测系统，实时监测CPAP治疗中的压力/流量变化；2）基于伺服电机（Tower Pro MG995）驱动不锈钢凸轮机构，产生13 kg·cm扭矩确保MDI罐体可靠按压；3）通过计算流体动力学（CFD）模拟优化聚碳酸酯材料罐支架的气流场分布；4）集成脉冲血氧仪（Maxim MAXREFDES117#）接口与用户界面（LCD显示屏+旋转编码器）实现多参数监控；5）采用基于FMEA的风险评估体系对设备进行可靠性验证。

3.1 系统设计

通过CFD模拟显示罐支架内部流速分布均匀，颈部区域因截面收缩产生瞬态加速（平均流速1.372 m/s），压力降可忽略不计（静态压力1961.16 Pa），证明设计对气流阻力极小。

呼吸相位识别采用权重为10的滤波算法，过滤后压力值在吸入信号交点处仍高于原始值，流量值则低于原始值，形成可靠的双重判断标准。

最终设备尺寸为160×125×135 mm，采用60°倾斜界面与滑门式罐体更换结构。

3.2 系统评估结果

呼吸检测时间精度测试显示，设备检测吸入时间平均早于模拟器信号0.11秒（R²=1），为伺服机构0.25秒动作预留缓冲。

在25-30次/分钟呼吸频率、1:1至1:3吸呼比条件下，给药同步性测试显示仅1次动作超出0.2秒理想窗口，异步率低于3%。

频率一致性验证中，10次给药/5分钟的设定实际间隔为15±1秒，符合临床间隔要求。

与人工操作对比实验表明，自动化系统将给药延迟稳定在0.14秒，而人工操作存在显著波动（p<0.05）。

该研究通过机电一体化设计成功解决了机械通气患者MDI给药的吸呼协调难题。设备在模拟呼吸条件下实现了吸入起始0.14秒内的精准给药，显著降低人工操作的变异性（p<0.05）。虽然存在设备体积（160×125×135 mm）与机械耐用性方面的局限，且目前仅适用于无需摇匀的MDI罐体（如QVAR RediHaler），但其核心价值在于为ICU标准化气道管理提供了技术范式。未来研究方向包括紧凑型结构优化、噪音控制材料应用以及扩展兼容不同给药机制的吸入器型号。这项技术不仅提升支气管舒张剂在气道内的沉积效率，更通过自动化减轻医护人员操作负担，对推进精准医疗在呼吸支持领域的应用具有重要实践意义。