文摘

最近研究通风系统的动态特性,认为人类只有一个肺,和耦合效应的双肺气流不能说明,已对生命支持的患者是至关重要的。在本文中,为了说明耦合效应的双肺流动力机械通风系统、机械通风系统的数学模型,由双肺和双层的正压通气(BIPAP)呼吸机控制,提出了。验证数学模型,原型BIPAP系统双肺模拟器和BIPAP呼吸机成立实验研究。最后,研究影响BIPAP系统动态特性的关键参数。这项研究可以称为BIPAP通风发展的研究和真正的呼吸诊断治疗。

1。介绍

机械通气是一种干预用于帮助患者在ICU呼吸。机械通风的目的是改善气体交换率患者的呼吸系统和帮助危重病人或各种形式的呼吸系统疾病患者减少呼吸工作(1,2]。尽管多年以来一直在用于ICU机械通气是第一次,总是很难选择最好的通风模式(或模式)的组合为病人和调整呼吸机的设置条件‎(1]。但新的通风技术的发展从未停止过。

目前,有各种各样的机械通风控制模型,如压力控制通气(PCV)和容量控制通气(VCV)‎3]。PCV的基础上,模型的压力支持通气(PSV),压力释放通气(减压阀),压力调节音量通风(PRVC)和双层的气道正压(BIPAP)开发控制通风4- - - - - -10]。其中,类似全能呼吸模式‎(11],BIPAP得到广泛的应用程序由于压力控制的特点,以及人机协调(12- - - - - -17]。

最近研究机械通风系统,认为人类只有一个肺,便于分析(18- - - - - -20.]。然而,人类由对肺的呼吸器官和左肺,肺和呼吸参数的一个不同于另一个肺的参数。此外,在呼吸过程中,呼吸动力学的肺受到另一个肺。

众所周知,双肺的耦合效应对机械通风系统动态特性的重要机械通风的安全与效果,这不能说明当仅仅只有一个肺癌被认为是(21,22]。

此外,模型的机械通风系统只有只有一个肺不全面或精确的减少他们的适用性和通用性,使大错误的呼吸参数识别(23- - - - - -26]。

然而,直到现在,很少有研究机械通风系统,双肺。

本文为安全打下理论基础,高效的机械通风和准确的呼吸参数识别,首先,机械通风系统的数学模型,由双肺和双层的正压通气(BIPAP)呼吸机控制,提出了。验证数学模型,机械通风系统原型试验研究。最后,通风系统参数对动态特性的影响进行了讨论。

2。介绍和建模Double-Lungs机械通风系统

2.1。介绍机械通风系统的双肺

双肺BIPAP通风系统,如图1(一),人类是由两个肺,呼吸机,三个灵活的管,呼吸道。在激励过程中,与正压机械通气的通风机空气流入人类肺部力量。失效过程中,空气通过呼气阀驱逐到大气中由于高压双肺。

(一)机械通风系统
(一)机械通风系统
(b)等效气动系统
(b)等效气动系统
图1
双肺结构的机械通风系统和等效气动系统。

根据这些函数,用来模仿通风机空气压缩机,三个节流阀用于模仿呼气阀和两个管,和两个肺体积的容器可以被视为两个变量。通风机实际参数的匹配设置的呼吸系统会影响通风效率主要由呼吸道阻力( )和遵从性( )‎27如上所述。

然而,呼吸阻力 随时间,可以更换为摩擦损失发生在呼吸管‎(28]。所以,每个呼吸管可以被视为两个等效油门与肺和呼吸机。呼吸遵从性( 管)和呼吸道,也随时间,可以被忽视的29日- - - - - -31日),因为每个肺部的压力通风系统而言不啻是22O - 40而言不啻2o .因此,一个机械通风系统有两个肺可以简化为等效气动系统(18- - - - - -26,32),如图1 (b)。

2.2。数学建模与双肺机械通风系统

为了方便研究,假设下的研究工作过程中没有空气泄漏,和动态过程是一个quasi-balanced过程‎(33]。

2.2.1。流动方程

空气质量流量可以通过节流阀的流量方程后空气流经拉伐尔喷嘴。对于每一个肺,什么时候 、空气流是亚音速,当 、空气流是声波‎(28]。根据计算结果, 比 总是。总(空气质量流量 )流入对肺部的空气质量流量增加左肺。因此,系统的质量流量方程可以达成的

2.2.2。压力方程

下的研究假设的灵感和呼吸是等温过程。克拉珀龙方程的微分表达式( )是由‎28]

我们可以变换(2);然后对肺部的压力可以由左肺

2.2.3。体积方程

根据呼吸合规的定义( )、呼吸道遵从性( )可以被描述为‎(34]

然后对肺癌和左肺的体积可以被计算

3所示。验证模型与双肺

3.1。实验仪器和研究

为了验证上述数学模型,为通风进行了一个实验。如图2实验装置由一个BIPAP呼吸机,两个管,一个压力传感器,两肺模拟器,和一台电脑。


图2
实验装置。

压力传感器叫做FlowAnalyser通风机试验机pf - 300提供的imtmedical公司。它是用来检测流量、压力、温度、湿度、和 一个浓度。通风机是提供的汉密尔顿。这是一个普遍的通风解决方案所有病人团体和提供适当的潮汐卷低至2毫升,目的是减少肺损伤。

有几个主要的通风机设置:吸入气道正压(IPAP),呼气气道正压(EPAP),每分钟呼吸(BPM),吸气时间( )和压力上升时间( ),他们之前已经设置了实验。IPAP将22而言不啻2o . EPAP将4而言不啻2o . BPM设置为每分钟20。和灵感时间和压力上升时间设置为1和0.3年代,分别。当通风系统得到稳定的条件,执行数据采集和保存。

3.2。通风系统的仿真

根据上述数学模型和实验,一个肺中的压力试验的曲线和拟合曲线的一个模拟肺中的空气压力模拟如图3。也是一个模拟肺中的空气质量流量曲线实验和仿真如图4。


图3
空气压力曲线和拟合曲线在一个肺模拟器。

图4
曲线的空气质量流量的肺模拟器。

此外,两肺模拟器是相同的。换句话说,对于每个肺呼吸合规( )和入口直径( )是相同的。和仿真参数的初始值是相同的实验。

MATLAB / Simulink软件,用于仿真。

3.3。分析

从数据3和4,以下可以概括。(1)模拟结果与实验结果一致。这验证的数学模型可以用于研究。(2)IPAP和EPAP而言不啻通风机提供的是23.52O和4.5而言不啻2啊,存在小误差,但误差可以忽略,因此实验结果真实可靠。(3)实验结果和模拟结果之间的差异的原因是,有一个小实验在工作过程中漏气。

4所示。对动态特性的影响

人类有两个肺,两肺之间不同的参数影响系统的动态特性。所以有必要研究的几种主要的影响参数对通风系统的动态的在不同条件下两种不同的肺。

因为有很多文章和关于通风系统的动态特性研究的肺,它没有任何意义研究这些每个肺的动态特性模拟通风系统。在各种各样的动态特性,对肺部的空气质量流量的比值模拟器( 总()空气质量流量 )重点是在这项研究中,以及潮汐的体积的比值对肺模拟器( )两个肺的和模拟器的潮汐卷( )。

4.1。影响肺模拟器对动态特性的关键参数

在这项研究中,呼吸遵从性( )和入口直径( )的一个节气门会改变,肺和其他模拟器保持不变,这将是10毫升/而言不啻2分别O和3.2毫米。此外,像EPAP关键参数的值,IPAP, BPM, , 必须保持恒定的如上所述。

(1)影响肺呼吸的合规模拟器的动态特性。首先,入口直径( )两个油门设置为3.2毫米。当呼吸合规将8毫升/而言不啻2啊,12毫升/小时2啊,和14毫升/而言不啻2O,仿真结果的空气质量流量的比值对肺模拟器( 总()在空气质量流量 见图5。


图5
的影响 在空气质量流量比率。

呼吸之间的关系遵从性和潮汐的体积的比值对肺模拟器( )两个肺的和模拟器的潮汐卷( )进行了研究,结果显示在图6,当合规的价值( )设置为5毫升/而言不啻2O-30 mL /而言不啻2啊,每5毫升/而言不啻2O。


图6
的影响 不同的潮汐体积比 。

从数据5和6,可以看到流动。

随着通风系统的吸气过程和呼气过程中,空气质量流量之比有两个一个周期的波动。当呼吸合规( )对肺模拟器大于左肺模拟器,也就是说,呼吸合规( )对肺模拟器大于10毫升/而言不啻2啊,空气质量流量的比例将为50%至100%。空气质量流量对肺模拟器空气质量流量比左肺模拟器。否则,会比小于50%,空气质量流量左肺模拟器将小于右模拟器。如果呼吸合规( )对肺与左肺模拟器,模拟器是相同的比例将维持50%不变。

此外,当一个肺部的空气质量流量模拟器是0,其他肺模拟器还有空气质量流量。这就是为什么可以比0和100%。

最后,呼吸的遵从性( )对肺模拟器,潮汐卷的比率增加。当呼吸合规( )对肺模拟器小于左肺模拟器,比例大幅上升。当呼吸合规( )对肺模拟器赶上左肺模拟器,慢慢比率的增长已经放缓。

(2)入口直径的影响两个肺的动态特性。如上所述,空气质量流量主要是受到直径( )两个肺的入口。直径( )对肺的入口设置为2.0毫米,2.8毫米和4.0毫米。仿真结果的空气质量流量的比值对肺模拟器( 总()在空气质量流量 )如图7。


图7
的影响 在空气质量流量比率。

呼吸之间的关系遵从性和潮汐的体积的比值对肺模拟器( )两个肺的和模拟器的潮汐卷( )也在研究,当 设置为1.6 mm-4毫米,如图8。


图8
的影响 不同的潮汐体积比 。

如数据所示7和8,以下是显而易见的。

首先,在通风系统有两个过程,所以空气质量流量之比有两个一个周期的波动。当直径( )的有效面积相当于油门比左边大油门,空气质量流量的比例将为0%至50%。相反,如果直径( )的有效面积相当于油门小于左节流,比例将为50%至100%。当直径( )的有效面积相当于油门一样离开油门,这一比例仍将是50%。

此外,呼吸的影响一样遵从性( ),当空气质量流量的肺模拟器是0,其他肺模拟器还有空气质量流量。所以空气质量流量之比的曲线可以达到0和100%。直径(更大的差距 )有效面积的两个等价的油门的时间比例是0,或100%。

最后,作为一个崛起的直径( )的有效面积相当于油门,潮汐卷的比率增加。

4.2。呼吸机的关键参数对动态特性的影响

到目前为止,研究的动态特性是通风机的固定条件下。然而,通风可以产生影响的关键参数动态特性的机械通风系统的两种不同的肺模拟器。因此,很有必要研究呼吸机的关键参数的影响在两个不同的肺模拟器。

4.2.1。准备IPAP对动态特性的影响

IPAP设置为18而言不啻2啊,22而言不啻2啊,和24而言不啻2o .呼吸遵从性( )的左肺模拟器一直到10毫升/而言不啻2啊,和直径( )的有效面积相当于离开油门保持3.2毫米。

(1)不同呼吸下IPAP合规的影响( )动态特性。当呼吸合规( )对肺模拟器设置为5毫升/而言不啻2O和20毫升/小时2啊,空气质量流量之比的结果是显示数据9和10。


图9
IPAP在空气质量流量的影响 设置为5毫升/而言不啻吗2O。

图10
IPAP在空气质量流量的影响 设置为20毫升/而言不啻吗2O。

增加呼吸道的遵从性( )对肺模拟器,潮汐卷的比率在不同的结果IPAP图所示11。


图11
IPAP对潮汐的影响的不同 。

如数据所示9和10,增加IPAP可能导致上升的空气质量流量的比值对肺模拟器( )总共两肺模拟器( )的灵感。如图11IPAP上升,潮汐的体积的比值对肺模拟器( )两个肺的潮汐卷模拟器sum ( )增加更尖锐。当呼吸合规( )对肺模拟器是小于10毫升/而言不啻2啊,三条曲线的增长趋势几乎是相同的。

(2)IPAP在不同直径的影响( )动态特性。当直径( )的有效面积相当于油门设置为2.4毫米和4.0毫米,比空气质量流量的结果显示数据12和13。


图12
IPAP在空气质量流量的影响 设置为2.4毫米。

图13
IPAP在空气质量流量的影响 设置为4.0毫米。

与直径的增加( )的有效面积相当于油门,潮汐卷的比率在不同的结果IPAP图所示14。


图14
IPAP对潮汐的影响的不同 。

从数据12和13,观察IPAP增加会导致上升的空气质量流量的比值对肺模拟器( )总共两肺模拟器( 灵感时期)条件下不同直径( )有效面积的两个等价的油门。此外,在图14IPAP增加,潮汐体积的百分比曲线变得陡峭。

4.2.2。EPAP对动态特性的影响

不啻EPAP设置为426 O,不啻2啊,和8个不啻2所示的o .和模拟。

(1)不同呼吸下EPAP合规的影响( )动态特性。当呼吸合规( )对肺模拟器设置为5毫升/而言不啻2O和20毫升/小时2O, EPAP的影响空气质量流量的比率显示数据15和16。


图15
EPAP在空气质量流量的影响 设置为5毫升/而言不啻吗2O。

图16
EPAP在空气质量流量的影响 设置为20毫升/而言不啻吗2O。

增加呼吸道的遵从性( )对肺模拟器,潮汐卷的比率在不同的结果EPAP图所示17。


图17
EPAP对潮汐的影响的不同 。

如数据所示15,16,17,增加EPAP可能导致上升的空气质量流量的比值对肺模拟器( )总共两肺模拟器( )的灵感。当呼吸合规( )对肺模拟器大于10毫升/而言不啻2O,潮汐体积比的曲线急剧上升。

(2)EPAP在不同直径的影响( )动态特性。当直径( )的有效面积相当于油门设置为2.4毫米和4.0毫米,EPAP的影响空气质量流量的比率显示数据18和19。


图18
EPAP在空气质量流量的影响 设置为2.4毫米。

图19
EPAP在空气质量流量的影响 设置为4.0毫米。

与直径的增加( )的有效面积相当于油门 潮汐体积的比值,结果在不同EPAP图所示20.。


图20
EPAP对潮汐的影响的不同 。

以及IPAP EPAP可以更高的百分比上升空气质量流量的灵感的过程。然而,潮汐的体积的比值对肺模拟器( )潮汐卷总共两肺模拟器( ),EPAP有点区别。当直径( )的有效面积相当于油门大于3.2毫米,EPAP越大,曲线越缓慢增加。

4.2.3。BPM对动态特性的影响

BPM设置为20、25和30日虽然通风机的其他参数不改变。仿真结果如下所示。

(1)BPM的影响在不同呼吸合规( )动态特性。BPM的影响空气质量流量比率的数据所示21和22当呼吸合规( )的肺被设置为5毫升/而言不啻2O和20毫升/而言不啻2O。


图21
BPM在空气质量流量的影响 设置为5毫升/而言不啻吗2O。

图22
EPAP在空气质量流量的影响 设置为20毫升/而言不啻吗2O。

增加呼吸道的遵从性( )对肺潮汐体积比的趋势可以得到图23当BPM是20、25和30。


图23
BPM对潮汐的影响的不同 。

如数据所示22和23,BPM的通风机不改变空气质量流量的比率的价值;它只是影响通风系统的周期。从图23当呼吸合规( )对肺模拟器大于15毫升/而言不啻2啊,更大的BPM,曲线越缓慢上升。

(2)BPM在不同直径的影响( )动态特性。不同BPM的影响空气质量流量的比例数据所示24和25当直径( )的有效面积相当于对节流阀是2.4毫米和4.0毫米。


图24
BPM在空气质量流量的影响 设置为2.4毫米。

图25
BPM在空气质量流量的影响 设置为4.0毫米。

与不同的直径( 潮汐体积的比值),结果在不同BPM如图26。


图26
BPM对潮汐的影响的不同 。

如数据所示24和25,BPM也只是产生影响的循环通风系统,和其他动力学的影响可以忽略。如图26与BPM的上升,三条曲线明显增加。当直径( )的有效面积相当于油门小于2.8毫米,较小的BPM曲线有一个更高的潮汐体积百分比。随着BPM的增加,曲线变得快速的增长。

4.2.4。灵感的影响时间( )动态特性

灵感时间( )的通风机设置为1 s, 1.2秒和1.4秒。仿真结果如下所示。

(1)的影响 在不同呼吸合规( )动态特性。当合规( )是5毫升/而言不啻2O和20毫升/而言不啻2啊,不同的影响 在空气质量流量的数据中可以看到27和28。增加呼吸道的遵从性( )对肺模拟器,潮汐卷的比率在不同的结果 如图28。


图27
的影响 在空气质量流量 设置为5毫升/而言不啻吗2O。

图28
的影响 在空气质量流量 设置为20毫升/而言不啻吗2O。

如数据所示27和28,灵感时间( 通风机的只有影响肺的灵感时间模拟器,及其对其他动力学的影响可以忽略不计。如图29日当呼吸合规( )对肺模拟器大于10毫升/而言不啻2O, BPM的上升曲线急剧增加。


图29
的影响 潮汐卷上的不同 。

(2)的影响 在不同直径( )动态特性。当 是1.0,1.2,和1.4 s,对空气质量流量的影响可以由数据吗30.和31日在不同直径( )。和影响潮汐卷直径( )将1.6毫米到4毫米可以看到在图32。


图30
的影响 在空气质量流量 设置为2.4毫米。

图31
的影响 在空气质量流量 设置为4.0毫米。

图32
的影响 潮汐卷上的不同 。

当直径变化时,灵感时间( )通风机的也会影响肺的灵感时间模拟器,及其对其他动力学的影响可以忽略不计。然而,潮汐体积的比值,灵感时花的时间越长,越高百分比曲线会。

4.2.5。压力上升时间的影响( )动态特性

压力上升时间( 呼吸机的设置为0.2秒,0.3秒和0.4秒。仿真结果如下所示。

(1)的影响 在不同呼吸合规( )动态特性。如数据所示33和34的影响 在空气质量流量在不同呼吸合规( 可以看到)。图35显示的趋势潮气量的增加呼吸道合规( 下三种不同的 。


图33
的影响 在空气质量流量 设置为5毫升/而言不啻吗2O。

图34
的影响 在空气质量流量 设置为5毫升/而言不啻吗2O。

图35
的影响 潮汐卷上的不同 。

从数据33和34,它是观察到的气流上升时间(增加而减少 );空气质量流率的增加与减少压力上升时间( )的灵感。和上升时间的增加( ),当空气质量流量保持50%的比例变得更长。从图36,观察上升时间越短( )花,曲线将大幅增加。


图36
的影响 在空气质量流量 设置为2.4毫米。

(1)的影响 在不同直径( )动态特性。如数据所示36和37的影响 在空气质量流量下不同直径( 可以看到)。图38显示的趋势潮汐卷直径的增加( )当 是0.2,0.3,和0.4 s。


图37
的影响 在空气质量流量 设置为4.0毫米。

图38
的影响 潮汐卷上的不同 。

从数据36和37,观察与上升时间的增加( ),当空气质量流量保持50%的比例变得更长。如图38,增加上升时间( )可能会导致一个急弯的潮汐体积比。但是更短的上升时间( )可能产生更大的百分比的潮汐卷到直径( )的有效面积相当于油门小于3.2毫米。

5。讨论

根据上面的描述,结论可以得到系统的数学模型是正确的。和每个五个关键参数有一个常规的机械通风系统的动态特性影响双肺。系统是基于两个肺,从而增加其适用性和通用性,动态特性必须比另一个更全面和精确的研究基于单肺。双肺的耦合效应对系统的动态特性更有意义的安全和影响呼吸医学研究。

6。结论

在这项研究中,双肺BIPAP通风系统被视为一个气动系统,然后一个新的BIPAP通风系统的数学模型。验证系统的数学模型,实验原型BIPAP机械通风系统提出了双肺。不同参数的影响两个肺模拟器和通风机BIPAP机械通风系统的动态特性进行了研究。结论总结如下。(1)仿真结果与实验结果一致。因此,验证系统的数学模型,可用于BIPAP通风系统双肺。(2)增加呼吸道的遵从性( )的一个肺模拟器或直径( )的有效面积相当于油门,空气质量流量的比值和潮汐体积的比例将会上升。(3)当呼吸合规( )的一个肺模拟器比另一个,或直径( )的有效面积相当于油门比另一个小,空气质量流量的比值曲线和潮汐卷将会从0%降至50%。相反,曲线可能会有从50%降至100%。(4)增加IPAP和EPAP可能导致上升的空气质量流量的灵感。但是潮汐体积的比值,增加IPAP和EPAP可能导致经济增长缓慢。(5)BPM的影响,灵感时间( )和压力上升时间( )空气质量流量比的动态很轻微。然而,他们都有一个巨大的影响在潮汐体积的比值。BPM是越大,潮汐体积的比值越小,以及压力上升时间( )。但增加灵感时间( )可以提高空气质量流量的比值和潮汐体积的比值。

动态特性的研究显示双肺、机械通风和它可以称为BIPAP通气治疗和研究发展的真正呼吸诊断。上的研究可以促进研究开发新的呼吸诊所治疗。

命名法

: 有效面积节流( )
: 临界压力比= 0.528
: 呼吸合规(L /而言不啻2O)
: 有效面积的直径(米)
: 长度(米)
: 空气质量(千克)
: 压力(pa)
: 空气质量流量(千克/秒)
: 气体常数= 287 (J /(公斤·K))
: 呼吸阻力(不啻2O / L / s)
: 温度(K)
: 时间(年代)
: 卷( )
: 摩擦系数
: 密度(公斤/ )
: 比热比= 1.4。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(批准号51575020)。