时间切换机械通气物理过程数学模型的计算机仿真

1时间切换机械通气物理过程数学模型的计算机仿真山西省肿瘤医院李国华摘要目的：采用计算机动态模拟时间切换机械通气中流速()(tv)、流率()(.tV)、肺容量改变()(tV)、肺泡压()(tPA)、气道压()(tPaw)、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)、tV.、V(t)、PA(t)、Paw(t)五个过程函数均为五段函数。采用BorlandDelphi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2ComputerSimulationoftheMathematicalModelofPhysicalProceduresofTime-CycleMechanicalVentilationAbstractObjectiveTosimulatethemathematicexpressionsofthefivesubfunctionsofonetotaltime-cycleventilatoryperioddynamicallybycomputerprogrammingandbuildaplatformforrapiddemonstrationandanalysisofthetheoreticalcurves,andtodiscussthefeasibilityofthesimulationofventilationbasedonothercyclingprinciples.MethodsAllthefivesubfunctionsweredeterminedtobefive-sectionexpressionsafteranalyzingthewholeperiodofmechanicalventilation.Theinitializingperiod,inspiratoryperiod,switchperiod,expiratoryperiodandend-expiratoryperiodofmechanicalventilationwerefurtheranalyzedwithBernoulliequation,bywhichtheexpressionsoftime-velocitycurve,time-flowratecurve,time-pulmonaryvolumecurve,time-alveolarpressurecurveandtime-airwaypressurecurvewerederivedrespectively.ThefunctionswerethensimulatedstaticallywithExcelanddemonstrateddynamicallywithBorlandDelphi6.Thesimulatedcurveswerecomparedwiththoseobtainedfromclinicalmonitoring.ResultsThesimulativecurvesofthefivesubfunctionswerehighlysimilartothosecapturedfrommonitors.Whilesubtledifferencesstillexists.ConclusionTheoreticalcurvesofvariouskindsofventilatorscanbeanalyzedandsimulatedonthebasisofthefivesubfunctionsofthephysicalproceduresofmechanicalventilation.Thechangesofthecurvesandtheirrelationswithphysicalfactorscanbeexplainedwiththefivesubfunctions.Theyalsohaveguidingsignificanceforthedesignandimprovementofventilators.Thesimulationofdifferentkindsofclinicalconditionisimportantforclinicalpracticeofmechanicalventilation.Thedemonstrationsoftwarecanbeputintouseinmedicaleducationasamultimediatool.Keywordsmechanicalventilation,hydromechanics,computersimulation30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：①通气机的机械量与电学量可以类比，对应关系见表0-1；②机械通气中RVP、、之间关系与电工学中RIU、、关系相对应；③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：①间歇通气；②双向气流；③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，没有利用对电量机械量电量容量电流流量电压()压强电动势()压力电阻阻力电容顺应性()()()()()()()()()QVIUPEPsRRCC)(.V表0-1电学量与机械量的类比======RRRRCCCC0I0I.0VSP图通气机的恒压源模型0-2图通气机的恒流源模型0-34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BorlandDelphi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0.00.51.01.52.02.53.03.54.0050100150200250300350400PS(cmH2O)流率(L/s)aikaMPSC-ISC-IIJD-IJD-IIKTH-IIYR-IIKR-II5第一章时间切换机械通气的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（controlledventilation）。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。Paw图1-1通气周期的五段函数f(x0)f(x2)f(x3)01f(x1)2345678910时间秒()1t0t2t3tf(x4)61.1.1第一阶段)(0xf是通气机的初始过程函数，0tt。v、awAPPVV、、、.均为零。在工作状态下，t0初始状态v和.V为零，awAPPV、、为上一通气周期呼气末的终末值。1.1.2第二阶段)(1xf是吸气启动到吸气期结束的物理过程函数，10t,tt。在此期间通气机的通气阀开放，呼气阀关闭，通气源气体在工作压强的驱动下向肺内充气。1.1.3第三阶段)x(f2是呼气切换瞬间的物理过程函数，1tt。此时刻通气阀关闭，v和.V为零，而awAPPV、、均保持)x(f1的终末值。1.1.4第四阶段)x(f3是呼气开始到肺泡排气停止的物理过程函数，21,ttt。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)(4xf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，32,ttt。通常在PEEP=0的状态下v、awAPPVV、、、.均为零。PEEP不等于0的状态下v、.V为零，awAPPV、、为终末值。因此拟定机械通气v(t)、tV.、V(t)、PA(t)、Paw(t)五个过程函数均为五段函数表达方式：32211100,0,)(0,)(0)(tttttttPKttttttPPKtttvAEawSm　　（1）732211100.,0,)(0,)(0)(tttttttAvttttttAvtttV　　　　（2）322211111002,)(0,)()()(,)()(0)(2110ttttVortttdttvAtVtttVtttdttvAtttVortVtttt　　　　　（3）3221111100,0,)()()(,)(0)(2110tttiPEEPortttdttvCAtPtttPtttdttvCAttiPEEPortPttAAttA　　　　　（4）32212111020,0,)(21)()(,)(21)(0)(tttPEEPorttttvKtPtttPttttvKtPttPEEPortPDEAawDAaw　　　　　（5）8第二章计算机仿真系统设计2.1编程工具的选择采用BorlandDelphi6.0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。