呼吸系統(tǒng)模型

生理系統(tǒng)建模與仿真呼吸系統(tǒng)的建模與仿真生理建模的概念建模的理論與方法具體的系統(tǒng)模型變量參數(shù)關(guān)系明確目標(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)證呼吸系統(tǒng)的建模與仿真呼吸系統(tǒng)的生理概述呼吸系統(tǒng)模型呼吸系統(tǒng)建模仿真實(shí)例思考題一、呼吸系統(tǒng)的生理概述什么是呼吸呼吸系統(tǒng)組成呼吸的原理呼吸型式呼吸重要參數(shù)呼吸運(yùn)動(dòng)控制假說(shuō)什么是呼吸(respiration)呼吸（respiration）是機(jī)體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的過程呼吸系統(tǒng)(respirationsystem)呼吸系統(tǒng)組成：鼻、咽、喉、氣管、支氣管、肺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Weibel氣道23級(jí)分支模型氣道數(shù)目逐級(jí)增多每分支口徑不斷縮小總橫截面積越來(lái)越大0至16級(jí)氣道不進(jìn)行氣體交換，稱為氣體傳導(dǎo)區(qū)17至19級(jí)氣道具備氣體交換功能，稱為呼吸性細(xì)支氣管20至22級(jí)為肺泡管，23級(jí)肺泡囊17至22級(jí)稱為呼吸區(qū)。呼吸的原理肺通氣的原動(dòng)力：大氣與肺泡氣之間存在壓力差肺內(nèi)壓（intrapulmonarypressure）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——?dú)怏w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40mmHg呼吸形式平靜呼吸吸氣主動(dòng)，呼氣被動(dòng)用力呼吸用力吸氣時(shí)胸鎖乳突肌、胸大肌等參與收縮腹式呼吸以膈肌收縮為主胸式呼吸以肋間肌收縮為主呼吸系統(tǒng)的重要參數(shù)肺內(nèi)壓（intrapulmonarypressure）肺泡內(nèi)與大氣間的壓力差吸氣末及呼氣末為零平靜呼吸：(-1～-2mmHg)～（1～2mmHg）用力呼吸：(-30～-100mmHg)～(60～40mmHg）呼吸系統(tǒng)的重要參數(shù)胸膜腔內(nèi)壓（intrapleuralpressure）胸膜腔內(nèi)壓＝肺內(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。胸膜腔破裂造成開放性氣胸使肺萎縮

呼吸系統(tǒng)的重要參數(shù)彈性阻力和順應(yīng)性彈性阻力：物體對(duì)抗外力作用引起變形的力順應(yīng)性：?jiǎn)挝豢绫趬鹤兓?△P)所引起的容積變化(△V)非彈性阻力慣性阻力粘滯阻力氣道阻力（占非彈性組織力的80%-90%）呼吸系統(tǒng)的重要參數(shù)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）呼吸運(yùn)動(dòng)控制假說(shuō)呼吸運(yùn)動(dòng)是有節(jié)律的，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配下呼吸肌可以自律性收縮，通過調(diào)節(jié)呼吸的幅度和頻率能使肺泡通氣量適應(yīng)機(jī)體新陳代謝的需要。呼吸控制系統(tǒng)是一個(gè)多回路系統(tǒng)，調(diào)節(jié)目的是保證動(dòng)脈血中O2,CO2,H+濃度恒定呼吸的節(jié)律受中樞調(diào)節(jié)控制（1）體液及動(dòng)脈血管上有化學(xué)感受器對(duì)O2,CO2,H+敏感，可將變化反饋至中樞，產(chǎn)生相應(yīng)的興奮，進(jìn)行調(diào)節(jié)控制呼吸運(yùn)動(dòng)控制假說(shuō)（2）存在呼吸神經(jīng)元振蕩回路

呼氣神經(jīng)元神經(jīng)元組振蕩網(wǎng)絡(luò)吸氣神經(jīng)元神經(jīng)元組振蕩網(wǎng)絡(luò)相互抑制輪流振蕩（3）Hering-Breuer反射，肺牽張反應(yīng)支氣管壁存在牽張感受器吸氣肺擴(kuò)張牽張呼吸中樞停止吸氣呼氣肺松弛無(wú)牽張二、呼吸系統(tǒng)模型肺通氣模型氣體交換模型氣體運(yùn)輸模型控制模型綜合模型呼吸系統(tǒng)力學(xué)模型針對(duì)肺通氣的機(jī)械過程及機(jī)理進(jìn)行建模20世紀(jì)初開始呼吸力學(xué)研究呼吸系統(tǒng)本身就是一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)呼吸系統(tǒng)的各部分間的作用力與反作用力遵從牛頓第三定律呼吸道開放壓力、胸腔內(nèi)壓肺的彈性壓力、阻抗所致壓力、慣性壓力呼吸力學(xué)模型最典型、最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛——一階線性模型將呼吸系統(tǒng)視為一個(gè)容器，單一自由度的三維系統(tǒng)其容積-壓力關(guān)系可用二階線性方程描述跨肺壓P胸膜內(nèi)壓p1肺泡壓（呼吸道開放壓）p2p=p2-p1反作用力=彈性力+阻力+慣性力p1p2p=p2-p1=彈性力+阻力+慣性力

三維壓力-容積關(guān)系與位移相關(guān)的力的線性機(jī)械系統(tǒng)電量與電壓之間的關(guān)系1960年R.W.Jodat提出呼吸力學(xué)機(jī)械模型根據(jù)呼吸系統(tǒng)解剖模式圖提出機(jī)械模型三個(gè)關(guān)聯(lián)部分肺—胸腔腹壁—胸腔胸壁—胸腔呼吸力學(xué)機(jī)械模型二輸入方框圖大氣壓胸腔內(nèi)壓慣性阻力系數(shù)氣流阻力系數(shù)順應(yīng)性肺容積胸壁肌壓胸廓容積腹腔容積腹壁肌壓根據(jù)生理實(shí)際對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化以PB為基準(zhǔn)，設(shè)定為0慣性力比彈性力和阻尼力要小得多，可忽略胸腔較堅(jiān)韌順應(yīng)性很小1/C>>R,M參數(shù)為線性時(shí)不變的不是從解剖學(xué)入手，而是從呼吸過程入手提出有關(guān)呼吸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模型R.M.Peters的呼吸系統(tǒng)機(jī)械模型呼吸系統(tǒng)類似于往復(fù)式膜盒泵，泵壁有兩個(gè)同心元件：肺葉和胸腔壁。肺葉不僅與腔內(nèi)其他部分聯(lián)結(jié)，還具有對(duì)呼吸氣流的導(dǎo)向功能。呼吸肌充當(dāng)力源，胸腔壁起著聯(lián)系力源運(yùn)動(dòng)的作用。任何機(jī)械系統(tǒng)都可以用等效電路系統(tǒng)來(lái)描述機(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近似描述阻抗一階線性模型PC為進(jìn)氣壓力QL為進(jìn)入肺的氣體流量R為氣道阻力EL為肺的容量PL為肺內(nèi)壓力Pm是模擬肌肉產(chǎn)生的呼吸效果參數(shù)R，E可以通過測(cè)得P和V變化量后估計(jì)得到氣道分級(jí)模型1998年C.H.Liu,S.C.Niranjan,J.W.Clark,etal.Airwaymechanics,gasexchange,andbloodflowinanonlinearmodelofthenormalhumanlung肺的氣體交換模型針對(duì)外呼吸過程進(jìn)行建模研究肺泡內(nèi)進(jìn)行氣體交換的機(jī)理及規(guī)律對(duì)肺泡內(nèi)氣體交換建立數(shù)學(xué)模型假定肺中氣體交換處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)肺泡中的氣體濃度服從氣體交換速率方程：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）如果用上面的模型肺泡中二氧化碳濃度會(huì)偏低原因：氣管、支氣管、無(wú)血流的肺泡不參與交換上述區(qū)域?yàn)闊o(wú)效腔，稱為死區(qū)吸氣終止時(shí)，死區(qū)仍然充滿新鮮空氣Vd(死區(qū))=Vt

(總)-Va(有效)呼出氣體總量去除呼出肺泡氣體體積得到死去體積未考慮死區(qū)影響肺泡的容量是時(shí)變的換氣率可變肺末梢循環(huán)血流脈動(dòng)考慮死區(qū)模型改進(jìn)對(duì)某種氣體，例如二氧化碳M—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)C1—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Va，C1，C2，Q，CD已知通過數(shù)值積分求Ca1969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)間變化曲線通過對(duì)曲線的分析發(fā)現(xiàn)了心因振蕩呼吸系統(tǒng)氣體輸運(yùn)模型血液循環(huán)系統(tǒng)氧和二氧化碳的運(yùn)輸形式解離曲線呼吸控制系統(tǒng)模型針對(duì)血中氣體濃度對(duì)呼吸的控制建立模型控制機(jī)制血中O2,CO2,H+濃度守恒，以二氧化碳為例受控參量：血中二氧化碳濃度變量：換氣率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[CO2]B偏離正常值[CO2]n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：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)過程比受控對(duì)象要快得多，根據(jù)二氧化碳的平衡關(guān)系假設(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)輸出輸入將傳遞函數(shù)帶入模型，得到參數(shù)反饋控制模型換氣率作為傳遞函數(shù)的一個(gè)參數(shù)參與控制，這種反饋為參數(shù)反饋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)生怎樣的變化呼吸運(yùn)動(dòng)控制模型用模型研究控制假設(shè)吸氣時(shí)間、呼氣時(shí)間、潮氣量的控制受控系統(tǒng)+控制模型LorenzoChiari,GuidoAvanzolini,MauroUrsino.Acomprehensivesimulatorofthehumanrespiratorysystem:Validationwithexperimentalandsimulateddata[J].Annalsofbiomedicalengineering,1997(25):985-999吸氣相呼氣相綜合模型針對(duì)血液循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)建立聯(lián)合模型MultiplemodelinginthestudyofinteractionofhemodynamicsandgasexchangeComputersinBiologyandMedicine.31(1)59-72modeldescriptionOxygenandcarbondioxidetransport,exchangeandstorageinthehumanDissociationcurveofcarbondioxideFrequencyofbreathingAnalveolarventilationcontrollerAcardiacoutputcontrollerCirculatorysystemDynamicsimulationprocessunderhypoxiawasperformed.三、呼吸系統(tǒng)建模仿真實(shí)例一階線性模型氣道分級(jí)模型呼吸控制模型一階線性模型正常狀況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)壓力明顯提高氣道分級(jí)模型1998年C.H.Liu,S.C.Niranjan,J.W.Clark,etal.Airwaymechanics,gasexchange,andbloodflowinanonlinearmodelofthenormalhumanlung

參數(shù)確定57Parametersfornormaladult四、思考題模型怎么分析病理情況模型對(duì)醫(yī)療器械有何意義怎么選擇模型ARDS（急性呼吸窘迫綜合癥）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COPD（慢性阻塞性肺疾病）一種具有氣流受限特征的疾病，患者氣道阻力增加

和肺彈性回縮力下降在原有模型基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整模型分析病理情況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