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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 关系 参数 变量 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 气管 支气管 肺 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。 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)～（1～2mmHg） 用力呼吸： (-30～-100mmHg)～(60～40mmHg） 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）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 三个关联部分 肺—胸腔 腹壁—胸腔 胸壁—胸腔 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