呼吸系統(tǒng)模型

1、關(guān)系參數(shù)變量明確目標(biāo)獲取數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型仿真模型模型模擬模型驗(yàn)證呼吸肌氣管平滑肌調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)氣管支氣管肺多級(jí)分支10萬(wàn)條末端3億肺泡70-100平米u(yù)氣道數(shù)目逐級(jí)增多氣道數(shù)目逐級(jí)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(lái)越大總橫截面積越來(lái)越大u0 0 至至16 16 級(jí)氣道不進(jìn)行氣體交換，級(jí)氣道不進(jìn)行氣體交換，稱為氣體傳導(dǎo)區(qū)稱為氣體傳導(dǎo)區(qū)u17 17 至至19 19 級(jí)氣道具備氣體交換功級(jí)氣道具備氣體交換功能，稱為呼吸性細(xì)支氣管能，稱為呼吸性細(xì)支氣管u20 20 至至22 22 級(jí)為肺泡管，級(jí)為肺泡管，2323級(jí)肺泡級(jí)肺泡囊囊u17 17 至至22 22 級(jí)稱為呼吸區(qū)。級(jí)稱為呼

2、吸區(qū)。肺通氣的原動(dòng)力：大氣與肺泡氣之間存在壓力差 肺內(nèi)壓（intrapulmonary pressure）肺泡內(nèi)壓力平靜吸氣：肺容積增加肺內(nèi)壓下降氣體克服呼吸道阻力進(jìn)入肺部 肺容積縮小肺內(nèi)壓升高肺內(nèi)的氣體排除體外呼吸運(yùn)動(dòng)組織肺泡體內(nèi)氣體交換的動(dòng)力氣體的分壓組織液中氧分壓40mmHg動(dòng)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(dòng)，呼氣被動(dòng)吸氣主動(dòng)，呼氣被動(dòng)u用力吸氣時(shí)胸鎖乳突肌、胸大肌等參與收縮用力吸氣時(shí)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(nèi)與大氣間的壓力差肺泡內(nèi)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(nèi)壓肺內(nèi)壓肺回縮壓胸膜腔內(nèi)壓肺內(nèi)壓肺回縮壓u在呼氣末、吸氣末時(shí)，胸膜腔內(nèi)壓肺回縮壓在呼氣末、吸氣末時(shí)，胸膜腔內(nèi)壓肺回縮壓u吸氣時(shí)：肺擴(kuò)張使肺回縮力增大，胸膜腔的負(fù)值增大。吸氣時(shí)：肺擴(kuò)張使肺回縮力增大，胸膜腔的負(fù)值增大。呼氣時(shí)：肺收縮使肺回縮力下降，胸膜腔的負(fù)值減小。呼氣時(shí)：肺收縮使肺回縮力下降，胸膜腔的負(fù)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(duì)抗外力作用引起變形的力彈性阻力：物體對(duì)抗外力作用引起變形的力u順應(yīng)性：?jiǎn)挝豢绫趬鹤兓槕?yīng)性：?jiǎn)挝豢绫趬鹤兓?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(nèi)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(shí)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(wú)效腔氣量）呼吸頻率（次/min ）相互抑制輪流振蕩吸氣肺擴(kuò)張牽張呼吸中樞停止吸氣呼氣肺松

5、弛無(wú)牽張呼吸道開放壓力、胸腔內(nèi)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(nèi)壓胸膜內(nèi)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(guān)系容積關(guān)系u與位移相關(guān)的力的線性機(jī)械系統(tǒng)與位移相關(guān)的力的線性機(jī)械系統(tǒng)u電量與電壓之間的關(guān)系電量與電壓之間的關(guān)系211EEPPPEVRVIVPVRI壓力， 容量， 彈性系數(shù)，順應(yīng)性氣流阻力系數(shù)， 慣性阻力fKXRXMXfXXXKRM力， 位移， 運(yùn)動(dòng)速度， 加速度線性彈性系數(shù)， 線性摩擦阻力系數(shù)，質(zhì)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(xué)機(jī)械模型二輸入方框圖/BpllllllppM VRVVC對(duì)肺大氣壓胸腔內(nèi)壓慣性阻力系數(shù)氣流阻力系數(shù)順應(yīng)性肺容積/rpBrrrrrrpppM VRVVC對(duì)胸廓胸壁肌壓胸廓容積腹腔容積/apBaaaaaapppM VR VVC對(duì)腹腔腹壁肌壓/pllllrprrrrapaaaaparlppppRVVCppRVVCppR VVCVVVVpE V不是從解剖學(xué)入手，而是從呼吸過(guò)程入手提出有關(guān)呼吸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模型21VPPPRVIVC機(jī)械參量P（壓力）R（阻力系數(shù)）V（容量）C（順應(yīng)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(xué)和動(dòng)力學(xué)靜力學(xué)彈性，肺和胸廓的總彈性相當(dāng)于肺和胸廓的彈性加和動(dòng)力學(xué)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(guò)測(cè)得P和V變化量后估計(jì)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(shè)恒定）Vlung肺泡中的平均容積V單位時(shí)間（假設(shè)恒定）()()lungbloodlungairlunglungdCQ CCV CCdtVu氣管、支氣管、無(wú)血流的肺泡不參與交換氣管、支氣管、無(wú)血流的肺泡不參與交換u上述區(qū)域?yàn)闊o(wú)效腔，稱為死區(qū)上

8、述區(qū)域?yàn)闊o(wú)效腔，稱為死區(qū)u吸氣終止時(shí)，死區(qū)仍然充滿新鮮空氣吸氣終止時(shí)，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(jìn)( )( )aaMC t V tM肺泡內(nèi)二氧化碳的量Ca肺泡內(nèi)二氧化碳濃度Va肺泡內(nèi)氣體體積aaaadVdCdMCVdtdtdt肺泡中氣體的質(zhì)量交換有2種途徑 -與血液進(jìn)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(nèi)二氧化碳濃度12()()0aaaDadVdCCCVQ CCdtdt12()()0

9、aaaDadVdCCCVQ CCdtdt1969年 T.Urphy利用這個(gè)模型對(duì)肺泡中氧分壓和肺泡中二氧化碳分壓進(jìn)行了模擬計(jì)算sinadVAtdt假設(shè)呼吸為正弦型( )0(0)0,(0)0,(0)aaaDaaaDaairaaDdVC tdtdVCCVVVdtdVCVVVdt得到氧分壓隨時(shí)間變化曲線得到二氧化碳分壓隨時(shí)間變化曲線通過(guò)對(duì)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(nèi)化學(xué)感受器檢測(cè)信號(hào)信息發(fā)至中樞控制和呼吸有關(guān)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(dāng)血中CO2濃度CO2B偏離正常值CO2n時(shí)，兩者的差引起換氣率的變化，假設(shè)換氣率變化和濃度變化成正比，則有：2222e

10、nBaasdeCOCOCOVVk CO 血中實(shí)際的二氧化碳濃度變化由兩個(gè)因素決定： 代謝產(chǎn)生二氧化碳 呼吸排出二氧化碳假定控制器的動(dòng)態(tài)過(guò)程比受控對(duì)象要快得多，根據(jù)二氧化碳的平衡關(guān)系2222BBCOaBBCOdVCOIV COdtVI-血液容量-二氧化碳代謝率（l/h）假設(shè)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(shí)，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(dòng)力源QL作為輸出PL作為中間結(jié)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(jìn)入肺的氣流可恢復(fù)為正常狀態(tài)，肺內(nèi)壓力明顯提高57QKKRu212m

13、ax3cccVVkR)999. 0ln(1maxcccVVabPVCRVVAKABRssssexplllelBVAKAPexpcwFRCcwcwCVVP/ )(5Parameters for normal adult012340500mL肺內(nèi)容量01234-6-4-202cmH2O時(shí)間，s肺內(nèi)壓和胸膜腔內(nèi)壓肺內(nèi)壓，PA胸膜腔壓內(nèi)，Ppl0123400.10.20.30.40.5時(shí)間，s容量,L容量分布 肺陷閉氣道012340.20.40.60.81時(shí)間，s氣阻,cmH2O各級(jí)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(nèi)氣體容量、肺順應(yīng)性降低致使呼氣末肺內(nèi)氣體容量、肺順應(yīng)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(zhǎng)提示呼氣阻力增加ARDS呼氣時(shí)間縮短，不利于氣血交換01234-4-2024壓力，cmH2O肺內(nèi)壓PA 健康A(chǔ)RDSCOPD01234-1.5-1-0.500.51流量，L/s大氣道流量Q時(shí)間，s 健康A(chǔ)RDSCOPD0123400.10.20.30.40.5容量，L肺內(nèi)容量時(shí)間，s 健康A(chǔ)RDSCOPDCOPD胸膜腔內(nèi)壓增加ARDS胸膜腔內(nèi)壓降低COPD肺順應(yīng)性增加ARDS肺順應(yīng)性降低COPD呼氣流量受限620123400.10.20.30.40.5順應(yīng)性，L/cmH2O肺順應(yīng)性Cl 健康A(chǔ)RDSCOPD00.20.40.6-1.5-1-0.500.51肺容量，L流量Q，L/s流量-容量環(huán)