1、关系参数变量明确目标获取数据建立数学模型仿真模型模型模拟模型验证呼吸肌气管平滑肌调节控制系统气管支气管肺多级分支10万条末端3亿肺泡70-100平米u气道数目逐级增多气道数目逐级增多u每分支口径不断缩小每分支口径不断缩小u总横截面积越来越大总横截面积越来越大u0 0 至至16 16 级气道不进行气体交换，级气道不进行气体交换，称为气体传导区称为气体传导区u17 17 至至19 19 级气道具备气体交换功级气道具备气体交换功能，称为呼吸性细支气管能，称为呼吸性细支气管u20 20 至至22 22 级为肺泡管，级为肺泡管，2323级肺泡级肺泡囊囊u17 17 至至22 22 级称为呼吸区。级称为呼
2、吸区。肺通气的原动力：大气与肺泡气之间存在压力差 肺内压（intrapulmonary pressure）肺泡内压力平静吸气：肺容积增加肺内压下降气体克服呼吸道阻力进入肺部 肺容积缩小肺内压升高肺内的气体排除体外呼吸运动组织肺泡体内气体交换的动力气体的分压组织液中氧分压40mmHg动脉血中氧分压100mmHg肺泡气中氧分压102mmHg静脉血中氧分压40mmHgu吸气主动，呼气被动吸气主动，呼气被动u用力吸气时胸锁乳突肌、胸大肌等参与收缩用力吸气时胸锁乳突肌、胸大肌等参与收缩u以膈肌收缩为主以膈肌收缩为主u以肋间肌收缩为主以肋间肌收缩为主u肺泡内与大气间的压力差肺泡内与大气间的压力差u吸气末吸
3、气末 及及 呼气末为零呼气末为零u平静呼吸：平静呼吸：(-1(-1-2-2mmHg)mmHg)（1 12mmHg2mmHg）u用力呼吸：用力呼吸：(-30(-30-100-100mmHg)mmHg)(60(6040mmHg40mmHg）u胸膜腔内压肺内压肺回缩压胸膜腔内压肺内压肺回缩压u在呼气末、吸气末时，胸膜腔内压肺回缩压在呼气末、吸气末时，胸膜腔内压肺回缩压u吸气时：肺扩张使肺回缩力增大，胸膜腔的负值增大。吸气时：肺扩张使肺回缩力增大，胸膜腔的负值增大。呼气时：肺收缩使肺回缩力下降，胸膜腔的负值减小。呼气时：肺收缩使肺回缩力下降，胸膜腔的负值减小。u胸膜腔破裂造成开放性气胸使肺萎缩胸膜腔破
4、裂造成开放性气胸使肺萎缩u弹性阻力：物体对抗外力作用引起变形的力弹性阻力：物体对抗外力作用引起变形的力u顺应性：单位跨壁压变化顺应性：单位跨壁压变化(P)所引起的容积变化所引起的容积变化(V)u惯性阻力惯性阻力u粘滞阻力粘滞阻力u气道阻力（占非弹性组织力的气道阻力（占非弹性组织力的80%-90%）肺总量：肺所能容纳的最大气量肺活量：从肺内所能呼出的最大气量残气量：最大呼气末尚存留于肺中不能再呼出的气量潮气量：平静呼吸时每次吸入或呼出的气体量每分通气量=潮气量呼吸频率（次/min）每分肺泡通气量=（潮气量无效腔气量）呼吸频率（次/min）相互抑制轮流振荡吸气肺扩张牵张呼吸中枢停止吸气呼气肺松弛无
5、牵张呼吸道开放压力、胸腔内压肺的弹性压力、阻抗所致压力、惯性压力跨肺压跨肺压P胸膜内压胸膜内压p1肺泡压（呼吸道开放压）肺泡压（呼吸道开放压）p2p=p2-p1反作用力反作用力=弹性力弹性力+阻力阻力+惯性力惯性力p1p2u三维压力三维压力-容积关系容积关系u与位移相关的力的线性机械系统与位移相关的力的线性机械系统u电量与电压之间的关系电量与电压之间的关系211EEPPPEVRVIVPVRI压力，容量，弹性系数，顺应性气流阻力系数，惯性阻力fKXRXMXfXXXKRM力，位移，运动速度，加速度线性弹性系数，线性摩擦阻力系数，质量(惯性阻力系数)1EqRqIqCEqCRI电压，电量，电容，电阻，
6、电感u肺肺胸腔胸腔u腹壁腹壁胸腔胸腔u胸壁胸壁胸腔胸腔呼吸力学机械模型二输入方框图/BpllllllppM VRVVC对肺大气压胸腔内压惯性阻力系数气流阻力系数顺应性肺容积/rpBrrrrrrpppM VRVVC对胸廓胸壁肌压胸廓容积腹腔容积/apBaaaaaapppM VR VVC对腹腔腹壁肌压/pllllrprrrrapaaaaparlppppRVVCppRVVCppR VVCVVVVpE V不是从解剖学入手，而是从呼吸过程入手提出有关呼吸系统运动状态的模型21VPPPRVIVC机械参量P（压力）R（阻力系数）V（容量）C（顺应性/柔量）I（惯性系数）电参量E（电压）R（阻抗）Q（电量）C
7、（电容）L（电感）分别从静力学和动力学静力学弹性，肺和胸廓的总弹性相当于肺和胸廓的弹性加和动力学惯性力作用可忽略，仅剩电阻，用层流poiseuille近似描述阻抗111CCC肺胸廓48RlrVPRCIVV参数R，E可以通过测得P和V变化量后估计得到Clung肺泡中气体浓度Cblood血中气体浓度Cair空气中气体浓度Q血流速度（假设恒定）Vlung肺泡中的平均容积V单位时间（假设恒定）()()lungbloodlungairlunglungdCQ CCV CCdtVu气管、支气管、无血流的肺泡不参与交换气管、支气管、无血流的肺泡不参与交换u上述区域为无效腔，称为死区上述区域为无效腔，称为死区u
8、吸气终止时，死区仍然充满新鲜空气吸气终止时，死区仍然充满新鲜空气()()lungbloodlungairlunglungdCQ CCV CCdtV未考虑死区影响模型改进()()aaMC t V tM肺泡内二氧化碳的量Ca肺泡内二氧化碳浓度Va肺泡内气体体积aaaadVdCdMCVdtdtdt肺泡中气体的质量交换有2种途径 -与血液进行交换 -与死区交换C1 肺血管 C2肺泡死区12()aDdVdMQ CCCdtdtC1流入肺泡的二氧化碳浓度C2流出肺泡的二氧化碳浓度Q血流速率CD死区内二氧化碳浓度12()()0aaaDadVdCCCVQ CCdtdt12()()0aaaDadVdCCCVQ C
9、Cdtdt1969年 T.Urphy利用这个模型对肺泡中氧分压和肺泡中二氧化碳分压进行了模拟计算sinadVAtdt假设呼吸为正弦型()0(0)0,(0)0,(0)aaaDaaaDaairaaDdVC tdtdVCCVVVdtdVCVVVdt得到氧分压随时间变化曲线得到二氧化碳分压随时间变化曲线通过对曲线的分析发现了心因振荡二氧化碳浓度偏离正常值体内化学感受器检测信号信息发至中枢控制和呼吸有关的肌肉改变换气频率及呼吸深度血中二氧化碳浓度回归正常当血中CO2浓度CO2B偏离正常值CO2n时，两者的差引起换气率的变化，假设换气率变化和浓度变化成正比，则有：2222enBaasdeCOCOCOVVk
10、 CO 血中实际的二氧化碳浓度变化由两个因素决定：代谢产生二氧化碳 呼吸排出二氧化碳假定控制器的动态过程比受控对象要快得多，根据二氧化碳的平衡关系2222BBCOaBBCOdVCOIV COdtVI-血液容量-二氧化碳代谢率（l/h）假设换气率变化较小，可近似看做常量将非线性系统变为线性系统221()BCOBaCOISV sV（s）输出输入模型可以描述二氧化碳的代谢率发生阶跃性变化时，血中二氧化碳的浓度将发生怎样的变化2220BeaBCOCOVCO Lorenzo Chiari,Guido Avanzolini,Mauro Ursino.A comprehensive simulator of
11、 the human respiratory system:Validation with experimental and simulated dataJ.Annals of biomedical engineering,1997(25):985-9990()AFRCVT ttVVTIAdVVTdtTI0()FRCAVVTVT ttVTEAdVVTdtTE 34(2.08)TIppVTVT 升5(6)7(2.08)TIp VTppVT升21(2)aCOVTp PpTI298(2)10aCOpTEpTIPppVTVTTITITTTITE160(min)fTTdVf VTdtComputers
12、in Biology and Medicine.31(1)59-72Dynamic simulation process under hypoxia was performed.正常状况pm作为输入动力源QL作为输出PL作为中间结果模拟病变：情况B呼吸肌衰竭pm减为50%Vt 降为50%MV降为50%呼吸频率不变模拟病变：情况A阻塞性通气障碍R增加1倍C减少50%Vt 降为50%MV降为50%呼吸频率不变压力控制辅助病变情况A阻塞性通气障碍R增加1倍C减少50%给出辅助通气量Q进入肺的气流可恢复为正常状态，肺内压力明显提高57QKKRu212max3cccVVkR)999.0ln(1maxcc
13、cVVabPVCRVVAKABRssssexplllelBVAKAPexpcwFRCcwcwCVVP/)(5Parameters for normal adult012340500mL肺内容量01234-6-4-202cmH2O时间，s肺内压和胸膜腔内压肺内压，PA胸膜腔压内，Ppl0123400.10.20.30.40.5时间，s容量,L容量分布 肺陷闭气道012340.20.40.60.81时间，s气阻,cmH2O各级气道阻力 RuRcRs34562.72.82.933.13.23.3Pl(Pldyn)，cmH2OVA,L肺P-V曲线 2460.10.110.120.130.14Pc，cm
14、H2OVc,L陷闭气道P-V曲线PlPldyn呼气吸气u大量肺泡萎陷大量肺泡萎陷致使呼气末肺内气体容量、肺顺应性降低致使呼气末肺内气体容量、肺顺应性降低u一种具有一种具有气流受限气流受限特征的疾病，患者气道阻力增加特征的疾病，患者气道阻力增加 和肺弹性回缩力下降和肺弹性回缩力下降60COPD和ARDS肺活量均降低COPD呼气峰流速降低提示气道阻塞COPD呼气相延长提示呼气阻力增加ARDS呼气时间缩短，不利于气血交换01234-4-2024压力，cmH2O肺内压PA 健康ARDSCOPD01234-1.5-1-0.500.51流量，L/s大气道流量Q时间，s 健康ARDSCOPD0123400.
15、10.20.30.40.5容量，L肺内容量时间，s 健康ARDSCOPDCOPD胸膜腔内压增加ARDS胸膜腔内压降低COPD肺顺应性增加ARDS肺顺应性降低COPD呼气流量受限620123400.10.20.30.40.5顺应性，L/cmH2O肺顺应性Cl 健康ARDSCOPD00.20.40.6-1.5-1-0.500.51肺容量，L流量Q，L/s流量-容量环 健康COPD01234-10-8-6-4-20压力，cmH2O胸膜腔内压Ppl时间，s 健康ARDSCOPDu压力控制压力控制u容量控制容量控制u压力源压力源PdriveuRt,Ct65压力控制容量控制0123456246810121416压力，cmH2O时间，s机械通气压力源,Pdrive0123456-202流量，L/s大气道流量 QQvt012345600.51容量，L肺内容量时间，s 气道分级模型VT Plus测量Bilevel 模式SNR(dB)
