时间切换机械通气物理过程数学模型的计算机仿真.doc

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1、时间切换机械通气物理过程数学模型的计算机仿真、摘 要目的：采用计算机动态模拟时间切换机械通气中流速()、流率 ()、肺容量改变 ()、肺泡压 ()、气道压 ()、流率-容积环（FV）和压力-容积环（PV）等七个物理过程函数。建立理论曲线快速演示和快速分析平台，探讨其它原理机械通气计算机仿真的可行性。方法：常用时间切换原理的间歇正压通气分为初始状态、吸气启动、肺充气、呼气切换、肺排气、呼气末六个物理过程。其中v(t)、V(t)、PA(t)、Paw(t)五个过程函数均为五段函数。采用Borland Delphi语言编制动态演示程序。将理论模拟曲线与临床实测曲线进行图形对照。结果：基本过程函数的模拟

2、曲线与临床实测曲线曲线图像基本相同，时间切换机械通气的五个物理过程函数验证无误。结论：时间切换机械通气的基本物理过程函数推导无误，编制的计算机仿真系统能够模拟通气机的理论工作曲线，快速显示函数曲线变化与物理因素的关系，对通气机的设计和性能改进具有前瞻性的指导意义。还能模拟不同的患者病理情况，对机械通气的临床实践也具有指导价值。可进一步开发用于医学多媒体教学。关键词：机械通气，流体力学，计算机仿真Computer Simulation of the Mathematical Model of Physical Procedures of Time-Cycle Mechanical Ventila

3、tionAbstractObjective To simulate the mathematic expressions of the five subfunctions of one total time-cycle ventilatory period dynamically by computer programming and build a platform for rapid demonstration and analysis of the theoretical curves, and to discuss the feasibility of the simulation o

4、f ventilation based on other cycling principles.Methods All the five subfunctions were determined to be five-section expressions after analyzing the whole period of mechanical ventilation. The initializing period, inspiratory period, switch period, expiratory period and end-expiratory period of mech

5、anical ventilation were further analyzed with Bernoulli equation, by which the expressions of time-velocity curve, time-flow rate curve, time-pulmonary volume curve, time-alveolar pressure curve and time-airway pressure curve were derived respectively. The functions were then simulated statically wi

6、th Excel and demonstrated dynamically with Borland Delphi 6. The simulated curves were compared with those obtained from clinical monitoring. Results The simulative curves of the five subfunctions were highly similar to those captured from monitors. While subtle differences still exists. Conclusion

7、Theoretical curves of various kinds of ventilators can be analyzed and simulated on the basis of the five subfunctions of the physical procedures of mechanical ventilation. The changes of the curves and their relations with physical factors can be explained with the five subfunctions. They also have

8、 guiding significance for the design and improvement of ventilators. The simulation of different kinds of clinical condition is important for clinical practice of mechanical ventilation. The demonstration software can be put into use in medical education as a multimedia tool. Key words mechanical ve

9、ntilation, hydromechanics, computer simulation0 引言1959年Mapleson根据通气机的临床特性将通气机分为压力发生器和流量发生器。后来又将其细分为恒压发生器、非恒压发生器、恒流发生器和非恒流发生器。由于在流体运动中压强和流量的变化是不可分割的，该学说不能满意地解释各种通气特性的理论问题。1969年Peslin提出了通气机与电工学电源的类比学说，主要观点为： 通气机的机械量与电学量可以类比，对应关系见表 0-1；机械通气中之间关系与电工学中关系相对应；通气机可以与电工学中的恒压电源类比（图0-2）。1979年哈尔滨医科大学郑方对多种通气机进行了

10、系统的压流特性测定(图0-1)，提出了通气机的恒流源模型（图0-3）。由于气体运动和电子运动毕竟不是相同的物质运动，机电模拟学说未能完全正确解释机械通气中各种力学现象的变化规律。机械通气是一种流体运动过程，与工业通风等同类流体运动形式相比较有三个主要特点：间歇通气；双向气流；通气对象为弹性负载。这就给机械通气带来了许多复杂问题。在过去的相关研究中，没有利用对口理论说明并解释机械通气过程中各种物理参量的变化规律，是一个理论研究的空白。有必要采用流体力学的理论来阐明或解释机械通气的相关问题。2000年，山西省肿瘤医院赵嘉训采用流体力学理论，以两段函数的形式表述了机械通气的物理过程。该理论载入教育部

11、面向21世纪课程教材麻醉设备学。然而，这些研究以流体力学和高等数学为基础，医务人员难懂难用。以EXCEL软件为工具，变量条件改换操作复杂，分析速度慢，只能进行简单的静态分析，影响了相关研究的进一步深入。本课题的任务是采用Borland Delphi语言动态仿真机械通气的物理过程，进一步细化分析时间切换机械通气的物理过程函数，将动态曲线与静态模拟图形及临床实测曲线进行对照，验证理论函数和仿真系统的科学性。同时编制动态演示程序，发挥现代计算机仿真的技术优势，改善高深理论与用户的操作界面。为构建理想的机械通气流体力学分析演示平台打下良好的技术基础。图0-1 通气机的压流测定第一章 时间切换机械通气的

12、物理过程最常用的机械通气模式是时间切换原理的间歇正压通气（IPPV）, 习称控制通气（controlled ventilation）。其基本物理过程包括：1初始状态：吸气启动前通气机的各项物理参量，或上一个通气周期末物理参数的终末值。2吸气启动 通气机由无输出的初始状态转变为输出状态的过程称为吸气启动。主要机械操作包括：通气阀开放和呼气阀关闭。3肺充气期 相当于吸气状态的持续执行。呼气阀保持关闭状态，通气机持续向肺内输出气体，直至呼气切换。4呼气切换 通气机由输出状态转变为无输出状态的过程称为呼气切换。主要机械操作包括：通气阀关闭和呼气阀开放。呼气切换相当于肺充气状态的解除。5肺排气期 通气机

13、停止输出气体，呼气阀持续开放，肺内气体在肺泡压驱动下通过呼气阀排出体外。6呼气末期 当肺内压等于外界大气压或PEEP设定值，肺排气停止到下一个吸气启动的间期。呼气末期相当于通气机的静息状态。1.1时间切换机械通气物理过程函数的分段以时间切换通气周期的气道压曲线为例（图 1-1），可见其过程函数是不连续的。这些变化与机械通气过程的阶段相关。可以分为五个阶段函数。1.1.1 第一阶段是通气机的初始过程函数，。v、均为零。在工作状态下，t0初始状态v和为零，为上一通气周期呼气末的终末值。1.1.2 第二阶段是吸气启动到吸气期结束的物理过程函数，。在此期间通气机的通气阀开放，呼气阀关闭，通气源气体在工

14、作压强的驱动下向肺内充气。1.1.3 第三阶段是呼气切换瞬间的物理过程函数，。此时刻通气阀关闭，v和为零， 而均保持的终末值。1.1.4 第四阶段是呼气开始到肺泡排气停止的物理过程函数，。此期间通气阀保持关闭，呼气阀开放，肺内气体在肺泡压驱动下，克服气道阻力排出体外。1.1.5 第五阶段是呼气期肺泡压与大气压相等，肺排气停止到下一次吸气启动开始时的过程函数，。通常在PEEP=0的状态下v、均为零。PEEP不等于0的状态下v、为零，为终末值。因此拟定机械通气v(t)、V(t)、PA(t)、Paw(t)五个过程函数均为五段函数表达方式： （1） （2） （3） （4） （5）第二章 计算机仿真系统

15、设计2.1 编程工具的选择采用Borland Delphi6.0编程工具编写该数学模型的计算机仿真程序。2.2 技术要点2.2.1 程序算法积分计算方面采用梯形求积法，以50ms为步长，计算速度快捷，计算精度满足编程要求。以此法为基础将数学模型转化为计算机程序算法。2.2.2 高性能计时器的选择调用API函数自制时间触发器，其精度可达1ms。满足本程序编制的50ms精度要求。2.3 程序模块及参数设置计算内核计算数值显示理论曲线演示程序模块分为控制区、演示区及数值显示区，见图2-1。程序在控制部分可分为通气模式选择、通气机设置、工作参数及患者条件设置等方面，参数可为任意调节，亦有隐形调节或被动

16、调节者。参数输入及运行控制图2-1 程序模块示意2.4 程序流程（见图2-2）初始赋值：流速0 气道压0或PEEP，余者为计算值窗口显示：峰值气道压潮气量通气量通气频率吸呼比PEEPIPEEP实时动态曲线：流速流率气道压Fv环Pv环肺容积改变肺内压吸气流速吸气流率潮气量肺内压气道压计算未到预定呼气时间吸气相到达预定呼气时间各函数为吸气终末值呼气流速呼气流率潮气量肺内压气道压计算高精度计时器判定时间到达预定吸气时间呼气相未到预定吸气时间PEEP判定肺内压PEEP图2-2 仿真程序流程图三 结果3.1 仿真系统的运行依据数学模型及相应程序算法编制仿真程序，编译后进行测试，在Windows98及Wi

17、ndows XP操作系统下运行正常。图3-1所示为仿真系统界面。界面顶部为监测数据显示区域，右侧为参数调节及运行控制区域，黑色区域为动态曲线演示区域。设置好相关参数后，点击界面右下角的“开始”（在运行过程中显示为“停止”）按钮即可在左侧演示区观察相应的仿真曲线。在“开始”键的左侧为“图像冻结”及“保存图像”键，以备保存特征性曲线之用。经实际运行测试该数学模型的计算机仿真系统实时性达到设计要求。图3-1 仿真系统演示程序界面3.2 动态仿真曲线与临床实测图像的对照 3.2.1 低压源通气曲线的模拟与对照低压源通气是由低压通气源（如射流空混器通气源、低压储气风箱通气源）产生。由于通气源气压较低，正

18、压通气肺泡压升高时，会明显减少有效气压差。所以吸气初吸气流量大，吸气末期气道压最高时，吸气流量降到最低。这种减流吸气形式与自主呼吸的吸气流相似，比较接近生理。图3-2为国产KR-II型通气机临床通气中，使用Datex CAPNOMAC ULTIMA气体监测仪实测的流率曲线和气道压曲线。根据实际原理和工作参数，为仿真系统赋值，f=12次/分钟；TI :TE=1:1.5；呼气末正压（PEEP）=0；A=8mm；C=30ml/cmH2O；=1.205kg/m3；PS=2000Pa。将上述设定赋予公式各变量，时间微分为0.05秒，在仿真系统上运行得到相应理论曲线（图3-3）。图3-2 KR-II型通气

19、机临床实测气道压及流率曲线图3-3 低压源通气理论曲线3.2.2 高压源通气曲线的模拟与对照高压源通气由高压通气源或电机直线驱动容量通气源产生。气管导管截面的呼吸气体流速是通气源与肺泡之间有效气压差的平方根，当通气源气压或通气源驱动力远大于肺泡压，正压通气产生的气道压变化与有效气压差相比可以忽略时，吸气流仅受流量调节阀或风箱压缩速度的限定，吸气期间将保持恒定输出流量。图3-4为Ohmeda7000呼吸机实测临床工作曲线。将仿真系统的驱动压参数调至300kPa，其余参数同低压通气，得到高压源通气理论曲线（图3-5）。图3-4 Ohmeda7000呼吸机实测临床工作曲线图3-5 高压源通气理论曲线

20、第四章 讨论41 编程工具的选择时间切换机械通气物理过程的数学模型的动态模拟要求编程软件的计算能力、实时性及图形编程能力提出较高要求。美国Borland公司出品的Delphi编程系统提供了Windows 32位特性的完整支持；编译速度领先于同类工具；图形编程能力强大；完全支持Windows API函数库。经测试该编程系统满足编制仿真程序的要求，故采用Borland Delphi6.0编程工具编写该数学模型的计算机仿真程序。42 高性能计时器的选择Windows系统为多任务操作系统，其优点不言而喻。但在一般情况下，其软件实时性远较DOS等单任务系统为差。而本仿真系统需要高精度的时间触发器方可能实

21、现精确的动态模拟。Delphi默认的计时器系统优先权低，计时精度在1000ms左右，故调用API函数自制时间触发器，其精度可达1ms。经测试完全满足本程序编制的50ms精度要求。43 理论图像与实测图像之间细微差异的探讨函数的理论图像和医学临床实际观测图像基本相似，但有细微差异。理论图像与实测图像之间细微差别的形成可能有以下原因：（1）程序设计界面中的X轴、Y轴因屏幕条件变化，其单位值的显示比例可发生相应调整，人为造成图像显示的差异。（2）实测所用通气机的“个体差异”造成其监测曲线与理论曲线之间的差异。（3）理论曲线的分析前提是：理想流体；准定常流；忽略延时因素；忽略通气机的内顺应性。这似应是

22、理论曲线与实际工作曲线还有差异的更重要原因。理想模型参数的设定尚不能完全拟合临床实际条件，需要引入微量调节函数进一步完善数学模型。具体不同通气方式在各种病理条件下通气效果的理论分析,不同通气机原理的数学模型以及对通气效果的影响等，有待今后深入研究。第五章 结论该数学模型计算能力、运行速度及实时性均满足设计要求。动态模拟曲线与使用静态模拟工具生成的曲线完全吻合，证明该仿真系统的算法和编制正确无误。函数的理论图像和医学临床实际观测图像基本相似，说明时间切换原理机械通气的数学模型可以较准确地反映机械通气的相关物理过程。时间切换机械通气物理过程数学模型的计算机仿真证明，通过机械通气的物理过程函数能够模

23、拟通气机的各种理论工作曲线，可以解释各种图像变化与物理因素的关系，对通气机的设计和性能改进具有前瞻性的指导意义。还能模拟不同的临床情况，对机械通气的临床实践也具有重要的指导价值。计算机模型可进一步开发用于医学多媒体教学。6参考文献1.Jerry A. Dorsch. 1999. Understanding Anesthesia Equipment, 2072292.A.R.Aitkenhead 1996. Textbook of Anaesthesia, 793.Ronald D. Miller 2001. Anesthesia,125612614.Pepe PE,Marini JJ. Occ

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