呼吸系統(tǒng)模型

1、關系參數(shù)變量明確目標獲取數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型仿真模型模型模擬模型驗證呼吸肌氣管平滑肌調節(jié)控制系統(tǒng)氣管支氣管肺多級分支10萬條末端3億肺泡70-100平米u氣道數(shù)目逐級增多氣道數(shù)目逐級增多u每分支口徑不斷縮小每分支口徑不斷縮小u總橫截面積越來越大總橫截面積越來越大u0 0 至至16 16 級氣道不進行氣體交換，級氣道不進行氣體交換，稱為氣體傳導區(qū)稱為氣體傳導區(qū)u17 17 至至19 19 級氣道具備氣體交換功級氣道具備氣體交換功能，稱為呼吸性細支氣管能，稱為呼吸性細支氣管u20 20 至至22 22 級為肺泡管，級為肺泡管，2323級肺泡級肺泡囊囊u17 17 至至22 22 級稱為呼吸區(qū)。級稱為呼

2、吸區(qū)。肺通氣的原動力：大氣與肺泡氣之間存在壓力差 肺內壓（intrapulmonary pressure）肺泡內壓力平靜吸氣：肺容積增加肺內壓下降氣體克服呼吸道阻力進入肺部 肺容積縮小肺內壓升高肺內的氣體排除體外呼吸運動組織肺泡體內氣體交換的動力氣體的分壓組織液中氧分壓40mmHg動脈血中氧分壓100mmHg肺泡氣中氧分壓102mmHg靜脈血中氧分壓40mmHgu吸氣主動，呼氣被動吸氣主動，呼氣被動u用力吸氣時胸鎖乳突肌、胸大肌等參與收縮用力吸氣時胸鎖乳突肌、胸大肌等參與收縮u以膈肌收縮為主以膈肌收縮為主u以肋間肌收縮為主以肋間肌收縮為主u肺泡內與大氣間的壓力差肺泡內與大氣間的壓力差u吸氣末吸

3、氣末 及及 呼氣末為零呼氣末為零u平靜呼吸：平靜呼吸：(-1(-1-2-2mmHg)mmHg)（1 12mmHg2mmHg）u用力呼吸：用力呼吸：(-30(-30-100-100mmHg)mmHg)(60(6040mmHg40mmHg）u胸膜腔內壓肺內壓肺回縮壓胸膜腔內壓肺內壓肺回縮壓u在呼氣末、吸氣末時，胸膜腔內壓肺回縮壓在呼氣末、吸氣末時，胸膜腔內壓肺回縮壓u吸氣時：肺擴張使肺回縮力增大，胸膜腔的負值增大。吸氣時：肺擴張使肺回縮力增大，胸膜腔的負值增大。呼氣時：肺收縮使肺回縮力下降，胸膜腔的負值減小。呼氣時：肺收縮使肺回縮力下降，胸膜腔的負值減小。u胸膜腔破裂造成開放性氣胸使肺萎縮胸膜腔破

4、裂造成開放性氣胸使肺萎縮u彈性阻力：物體對抗外力作用引起變形的力彈性阻力：物體對抗外力作用引起變形的力u順應性：單位跨壁壓變化順應性：單位跨壁壓變化(P)所引起的容積變化所引起的容積變化(V)u慣性阻力慣性阻力u粘滯阻力粘滯阻力u氣道阻力（占非彈性組織力的氣道阻力（占非彈性組織力的80%-90%）肺總量 ：肺所能容納的最大氣量肺活量：從肺內所能呼出的最大氣量殘氣量：最大呼氣末尚存留于肺中不能再呼出的氣量潮氣量：平靜呼吸時每次吸入或呼出的氣體量每分通氣量=潮氣量呼吸頻率（次/min）每分肺泡通氣量=（潮氣量無效腔氣量）呼吸頻率（次/min ）相互抑制輪流振蕩吸氣肺擴張牽張呼吸中樞停止吸氣呼氣肺松

5、弛無牽張呼吸道開放壓力、胸腔內壓肺的彈性壓力、阻抗所致壓力、慣性壓力跨肺壓跨肺壓P胸膜內壓胸膜內壓p1肺泡壓（呼吸道開放壓）肺泡壓（呼吸道開放壓）p2p=p2-p1反作用力反作用力=彈性力彈性力+阻力阻力+慣性力慣性力p1p2u三維壓力三維壓力-容積關系容積關系u與位移相關的力的線性機械系統(tǒng)與位移相關的力的線性機械系統(tǒng)u電量與電壓之間的關系電量與電壓之間的關系211EEPPPEVRVIVPVRI壓力， 容量， 彈性系數(shù)，順應性氣流阻力系數(shù)， 慣性阻力fKXRXMXfXXXKRM力， 位移， 運動速度， 加速度線性彈性系數(shù)， 線性摩擦阻力系數(shù)，質量(慣性阻力系數(shù))1EqRqIqCEqCRI電壓，

6、 電量， 電容， 電阻， 電感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學機械模型二輸入方框圖/BpllllllppM VRVVC對肺大氣壓胸腔內壓慣性阻力系數(shù)氣流阻力系數(shù)順應性肺容積/rpBrrrrrrpppM VRVVC對胸廓胸壁肌壓胸廓容積腹腔容積/apBaaaaaapppM VR VVC對腹腔腹壁肌壓/pllllrprrrrapaaaaparlppppRVVCppRVVCppR VVCVVVVpE V不是從解剖學入手，而是從呼吸過程入手提出有關呼吸系統(tǒng)運動狀態(tài)的模型21VPPPRVIVC機械參量P（壓力）R（阻力系數(shù)）V（容量）C（順應性/柔量）I（慣性系數(shù)）電參量E（電

7、壓）R（阻抗）Q（電量）C（電容）L（電感）分別從靜力學和動力學靜力學彈性，肺和胸廓的總彈性相當于肺和胸廓的彈性加和動力學慣性力作用可忽略，僅剩電阻，用層流poiseuille近似描述阻抗111CCC肺胸廓48RlrVPRCIVV參數(shù)R，E可以通過測得P和V變化量后估計得到Clung肺泡中氣體濃度Cblood血中氣體濃度Cair空氣中氣體濃度Q血流速度（假設恒定）Vlung肺泡中的平均容積V單位時間（假設恒定）()()lungbloodlungairlunglungdCQ CCV CCdtVu氣管、支氣管、無血流的肺泡不參與交換氣管、支氣管、無血流的肺泡不參與交換u上述區(qū)域為無效腔，稱為死區(qū)上

8、述區(qū)域為無效腔，稱為死區(qū)u吸氣終止時，死區(qū)仍然充滿新鮮空氣吸氣終止時，死區(qū)仍然充滿新鮮空氣()()lungbloodlungairlunglungdCQ CCV CCdtV未考慮死區(qū)影響模型改進( )( )aaMC t V tM肺泡內二氧化碳的量Ca肺泡內二氧化碳濃度Va肺泡內氣體體積aaaadVdCdMCVdtdtdt肺泡中氣體的質量交換有2種途徑 -與血液進行交換 -與死區(qū)交換C1 肺血管 C2肺泡死區(qū)12()aDdVdMQ CCCdtdtC1流入肺泡的二氧化碳濃度C2流出肺泡的二氧化碳濃度Q血流速率CD死區(qū)內二氧化碳濃度12()()0aaaDadVdCCCVQ CCdtdt12()()0

9、aaaDadVdCCCVQ CCdtdt1969年 T.Urphy利用這個模型對肺泡中氧分壓和肺泡中二氧化碳分壓進行了模擬計算sinadVAtdt假設呼吸為正弦型( )0(0)0,(0)0,(0)aaaDaaaDaairaaDdVC tdtdVCCVVVdtdVCVVVdt得到氧分壓隨時間變化曲線得到二氧化碳分壓隨時間變化曲線通過對曲線的分析發(fā)現(xiàn)了心因振蕩二氧化碳濃度偏離正常值體內化學感受器檢測信號信息發(fā)至中樞控制和呼吸有關的肌肉改變換氣頻率及呼吸深度血中二氧化碳濃度回歸正常當血中CO2濃度CO2B偏離正常值CO2n時，兩者的差引起換氣率的變化，假設換氣率變化和濃度變化成正比，則有：2222e

10、nBaasdeCOCOCOVVk CO 血中實際的二氧化碳濃度變化由兩個因素決定： 代謝產生二氧化碳 呼吸排出二氧化碳假定控制器的動態(tài)過程比受控對象要快得多，根據(jù)二氧化碳的平衡關系2222BBCOaBBCOdVCOIV COdtVI-血液容量-二氧化碳代謝率（l/h）假設換氣率變化較小，可近似看做常量將非線性系統(tǒng)變?yōu)榫€性系統(tǒng)221( )BCOBaCOISV sV（s）輸出輸入模型可以描述二氧化碳的代謝率發(fā)生階躍性變化時，血中二氧化碳的濃度將發(fā)生怎樣的變化2220BeaBCOCOVCO Lorenzo Chiari, Guido Avanzolini, Mauro Ursino. A compr

11、ehensive simulator of 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(mi

12、n )fTTdVf VTdtComputers in Biology and Medicine.31(1) 59-72Dynamic simulation process under hypoxia was performed.正常狀況pm作為輸入動力源QL作為輸出PL作為中間結果模擬病變：情況B呼吸肌衰竭pm減為50%Vt 降為50%MV降為50%呼吸頻率不變模擬病變：情況A阻塞性通氣障礙R增加1倍C減少50%Vt 降為50%MV降為50%呼吸頻率不變壓力控制輔助病變情況A阻塞性通氣障礙R增加1倍C減少50%給出輔助通氣量Q進入肺的氣流可恢復為正常狀態(tài)，肺內壓力明顯提高57QKKRu212m

13、ax3cccVVkR)999. 0ln(1maxcccVVabPVCRVVAKABRssssexplllelBVAKAPexpcwFRCcwcwCVVP/ )(5Parameters for normal adult012340500mL肺內容量01234-6-4-202cmH2O時間，s肺內壓和胸膜腔內壓肺內壓，PA胸膜腔壓內，Ppl0123400.10.20.30.40.5時間，s容量,L容量分布 肺陷閉氣道012340.20.40.60.81時間，s氣阻,cmH2O各級氣道阻力 RuRcRs34562.72.82.933.13.23.3Pl(Pldyn)，cmH2OVA,L肺P-V曲線

14、2460.10.110.120.130.14Pc，cmH2OVc,L陷閉氣道P-V曲線PlPldyn呼氣吸氣u大量肺泡萎陷大量肺泡萎陷致使呼氣末肺內氣體容量、肺順應性降低致使呼氣末肺內氣體容量、肺順應性降低u一種具有一種具有氣流受限氣流受限特征的疾病，患者氣道阻力增加特征的疾病，患者氣道阻力增加 和肺彈性回縮力下降和肺彈性回縮力下降60COPD和ARDS肺活量均降低COPD呼氣峰流速降低提示氣道阻塞COPD呼氣相延長提示呼氣阻力增加ARDS呼氣時間縮短，不利于氣血交換01234-4-2024壓力，cmH2O肺內壓PA 健康ARDSCOPD01234-1.5-1-0.500.51流量，L/s大氣道流量Q時間，s 健康ARDSCOPD0123400.10.20.30.40.5容量，L肺內容量時間，s 健康ARDSCOPDCOPD胸膜腔內壓增加ARDS胸膜腔內壓降低COPD肺順應性增加ARDS肺順應性降低COPD呼氣流量受限620123400.10.20.30.40.5順應性，L/cmH2O肺順應性Cl 健康ARDSCOPD00.20.40.6-1.5-1-0.500.51肺容量，L流量Q，L/s流量-容量環(huán)