呼吸系统模型

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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 具体的系统模型2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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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(respirationsystem)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。7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（intrapulmonarypressure）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（intrapulmonarypressure）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)～（1～2mmHg）用力呼吸：(-30～-100mmHg)～(60～40mmHg）呼吸系统的重要参数胸膜腔内压（intrapleuralpressure）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）p2p=p2-p1反作用力=弹性力+阻力+惯性力p1p2p=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部分肺—胸腔腹壁—胸腔胸壁—胸腔压力与容积23呼吸力学机械模型二输入方框图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胸壁肌压胸廓容积腹腔容积腹壁肌压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/C>>R,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。力与运动26任何机械系统都可以用等效电路系统来描述 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（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近似描述阻抗等效电路27一阶线性模型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,etal.Airwaymechanics,gasexchange,andbloodflowinanonlinearmodelofthenormalhumanlung肺的气体交换模型针对外呼吸过程进行建模研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）V’单位时间内进入肺部气体的量31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区模型改进对某种气体，例如二氧化碳M—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Ca1969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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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[CO2]B偏离正常值[CO2]n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：Vasd是正常情况下的换气率换气率是呼吸深度与呼吸频率的乘积40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、呼气时间、潮气量的控制受控系统+控制模型LorenzoChiari,GuidoAvanzolini,MauroUrsino.Acomprehensivesimulatorofthehumanrespiratorysystem:Validationwithexperimentalandsimulateddata[J].Annalsofbiomedicalengineering,1997(25):985-999LorenzoChiari等建立了一个结合肺换气、血液循环和化学调节的O2和CO2交换、转运和存储的模型，见图17，详细描述了肺换气控制器的动态调节过程、O2和CO2在外周化学感受器作用下的相互作用以及基于酸碱缓冲对作用的CO2解离过程（而非线性的CO2经验解离曲线），同时还考虑到了肺部血液分流、死腔、时间延迟及Bohr和Haldane效应。肺、脑组织和体组织作为O2和CO2的进行交换和存储的部位单独考虑。43吸气相呼气相45综合模型针对血液循环系统和呼吸系统建立联合模型MultiplemodelinginthestudyofinteractionofhemodynamicsandgasexchangeComputersinBiologyandMedicine.31(1)59-72modeldescriptionOxygenandcarbondioxidetransport,exchangeandstorageinthehumanDissociationcurveofcarbondioxideFrequencyofbreathingAnalveolarventilationcontrollerAcardiacoutputcontrollerCirculatorysystemDynamicsimulationprocessunderhypoxiawasperformed.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,etal.Airwaymechanics,gasexchange,andbloodflowinanonlinearmodelofthenormalhumanlung参数确定57Parametersfornormaladult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