呼吸系统模型.pptx

1、生理系统建模与仿真,呼吸系统的建模与仿真,生理建模的概念 建模的理论与方法 具体的系统模型,呼吸系统的建模与仿真,呼吸系统的生理概述 呼吸系统模型 呼吸系统建模仿真实例 思考题,一、呼吸系统的生理概述,什么是呼吸 呼吸系统组成 呼吸的原理 呼吸型式 呼吸重要参数 呼吸运动控制假说,什么是呼吸(respiration),呼吸（respiration）是机体与外界环境进行气体交换的过程,呼吸系统 (respiration system),呼吸系统组成：鼻、咽、喉、气管、支气管、肺,呼吸肌 气管平滑肌 调节控制系统,多级分支,10万条末端,3亿肺泡 70-100平米,Weibel气道23级分支模型

2、气道数目逐级增多 每分支口径不断缩小 总横截面积越来越大 0 至16 级气道不进行气体交换，称为气体传导区 17 至19 级气道具备气体交换功能，称为呼吸性细支气管 20 至22 级为肺泡管，23级肺泡囊 17 至22 级称为呼吸区。,呼吸的原理,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

3、中氧分压40mmHg,呼吸形式,平静呼吸 吸气主动，呼气被动 用力呼吸 用力吸气时胸锁乳突肌、胸大肌等参与收缩 腹式呼吸 以膈肌收缩为主 胸式呼吸 以肋间肌收缩为主,呼吸系统的重要参数,肺内压（intrapulmonary pressure） 肺泡内与大气间的压力差 吸气末 及 呼气末为零 平静呼吸： (-1-2mmHg)（12mmHg） 用力呼吸： (-30-100mmHg)(6040mmHg）,呼吸系统的重要参数,胸膜腔内压（intrapleural pressure） 胸膜腔内压肺内压肺回缩压 在呼气末、吸气末时，胸膜腔内压肺回缩压 吸气时：肺扩张使肺回缩力增大，胸膜腔的负值增大。 呼气

4、时：肺收缩使肺回缩力下降，胸膜腔的负值减小。 胸膜腔破裂造成开放性气胸使肺萎缩,呼吸系统的重要参数,弹性阻力和顺应性 弹性阻力：物体对抗外力作用引起变形的力 顺应性：单位跨壁压变化(P)所引起的容积变化(V) 非弹性阻力 惯性阻力 粘滞阻力 气道阻力（占非弹性组织力的80%-90%）,呼吸系统的重要参数,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 ）,呼吸运动控制假说,呼吸运动是有节律

5、的，在中枢神经系统支配下呼吸肌可以自律性收缩，通过调节呼吸的幅度和频率能使肺泡通气量适应机体新陈代谢的需要。 呼吸控制系统是一个多回路系统，调节目的是保证动脉血中O2,CO2,H+浓度恒定 呼吸的节律受中枢调节控制 （1）体液及动脉血管上有化学感受器对O2,CO2,H+敏感，可将变化反馈至中枢，产生相应的兴奋，进行调节控制,呼吸运动控制假说,（2）存在呼吸神经元振荡回路呼气神经元神经元组振荡网络吸气神经元神经元组振荡网络,相互抑制 轮流振荡,（3）Hering-Breuer反射，肺牵张反应支气管壁存在牵张感受器,二、呼吸系统模型,肺通气模型 气体交换模型 气体运输模型 控制模型 综合模型,呼吸

6、系统力学模型,针对肺通气的机械过程及机理进行建模,20世纪初开始呼吸力学研究 呼吸系统本身就是一个力学系统 呼吸系统的各部分间的作用力与反作用力遵从牛顿第三定律,呼吸力学模型,最典型、最简单、应用最广泛一阶线性模型 将呼吸系统视为一个容器，单一自由度的三维系统 其容积-压力关系可用二阶线性方程描述 跨肺压P 胸膜内压p1 肺泡压（呼吸道开放压）p2 p=p2-p1 反作用力=弹性力+阻力+惯性力,p=p2-p1=弹性力+阻力+惯性力,三维压力-容积关系与位移相关的力的线性机械系统电量与电压之间的关系,1960年R.W.Jodat提出呼吸力学机械模型,根据呼吸系统解剖模式图提出机械模型 三个关联

7、部分 肺胸腔 腹壁胸腔 胸壁胸腔,呼吸力学机械模型,二输入方框图,根据生理实际对模型进行简化 以PB为基准，设定为0 惯性力比弹性力和阻尼力要小得多，可忽略 胸腔较坚韧顺应性很小1/CR,M 参数为线性时不变的,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,R.M.Peters的呼吸系统机械模型,呼吸系统类似于往复式膜盒泵，泵壁有两个同心元件：肺叶和胸腔壁。肺叶不仅与腔内其他部分联结，还具有对呼吸气流的导向功能。呼吸肌充当力源，胸腔壁起着联系力源运动的作用。,任何机械系统都可以用等效电路系统来描述,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

8、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,一阶线性模型,PC为进气压力 QL为进入肺的气体流量 R为气道阻力 EL为肺的容量 PL为肺内压力 Pm是模拟肌肉产生的呼吸效果,参数R，E可以通过测得P和V变化量后估计得到,气道分级模型,1998年 C. H. Liu, S. C. Niranjan, J. W. Clark, et al. Airway mechanics, gas exchange, and blood flow in a nonlinear model of the normal human lung,肺的气体交换模型,针对外呼吸过程进行建模 研

9、究肺泡内进行气体交换的机理及规律,对肺泡内气体交换建立数学模型 假定肺中气体交换处于动态平衡状态 肺泡中的气体浓度服从气体交换速率方程：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）,如果用上面的模型肺泡中二氧化碳浓度会偏低 原因： 气管、支气管、无血流的肺泡不参与交换 上述区域为无效腔，称为死区 吸气终止时，死区仍然充满新鲜空气 Vd(死区)=Vt (总)-Va(有效) 呼出气体总量去除呼出肺泡气体体积得到死去体积,未考虑死区影响,肺泡的容量是时变的 换气率可变 肺末梢循环血流脉动 考虑死

10、区,模型改进,对某种气体，例如二氧化碳,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,Va ，C1，C2，Q，CD已知 通过数值积分求Ca,1969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,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,呼吸系统气体输运模型,血液循环系统 氧和二氧化碳的运输形式 解离曲线,呼吸控制系统模型,针对血中气体浓度对呼吸的控制建立模型,控制机制,血中O2,CO2,H+浓度守恒，以二氧化

11、碳为例受控参量：血中二氧化碳浓度 变量：换气率,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：,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,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,输出,输入,将传递函数带入模型，得到参数反馈控制模型 换气率作为传递函数的一个参数参与控制，这种反馈为参数反馈,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,呼吸运动控制模型,用模型研究控制假设 吸气时间

12、、呼气时间、潮气量的控制受控系统 + 控制模型,Lorenzo Chiari, Guido Avanzolini, Mauro Ursino. A comprehensive simulator of the human respiratory system:Validation with experimental and simulated dataJ. Annals of biomedical engineering, 1997(25):985-999,吸气相呼气相,综合模型,针对血液循环系统和呼吸系统建立联合模型,Multiple modeling in the study of int

13、eraction of hemodynamics and gas exchange,Computers in Biology and Medicine.31(1) 59-72,model description,Oxygen and carbon dioxide transport, exchange and storage in the human Dissociation curve of carbon dioxide Frequency of breathing An alveolar ventilation controllerA cardiac output controller C

14、irculatory system,Dynamic simulation process under hypoxia was performed.,三、呼吸系统建模仿真实例,一阶线性模型 气道分级模型 呼吸控制模型,一阶线性模型,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

15、状态，肺内压力明显提高,气道分级模型,1998年 C. H. Liu, S. C. Niranjan, J. W. Clark, et al. Airway mechanics, gas exchange, and blood flow in a nonlinear model of the normal human lung,参数确定,57,Parameters for normal adult,四、思考题,模型怎么分析病理情况 模型对医疗器械有何意义 怎么选择模型,ARDS（急性呼吸窘迫综合症） 大量肺泡萎陷致使呼气末肺内气体容量、肺顺应性降低 COPD（慢性阻塞性肺疾病） 一种具有气流受

16、限特征的疾病，患者气道阻力增加和肺弹性回缩力下降在原有模型基础上进行调整,模型分析病理情况,60,COPD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,模型分析病理情况,COPD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,模型分析病理情况,62,通气模式 压力控制 容量控制 呼吸机 压力源Pdrive 通气管道 Rt, Ct,模型对医疗器械有何意义,肺通气模型与呼吸机控制,模型对医疗器械有何意义,65,压力控制,容量控制,Bilevel 模式,模型对医疗器械有何意义,如何选择模型,以肺通气为例 一阶线性模型V.S.非线性模型,SNR(dB),生理系统建模,了解生理特征 抓住主要问题 遵照基本原理 选择变量参量 求解模型方程,