CN102194361A - 一种用于医学教学中的呼吸机通气模式波形模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种用于医学教学中的呼吸机通气模式波形模拟方法，给出了一种呼吸机模拟教学的方法，用建立不同通气模式的数学模型，建立一些重要参数的波形公式的方法来对医学院校的学生进行呼吸机临床使用教学。以解决目前医学院校中呼吸机教学中不能亲自操作呼吸机的问题。

Description

一种用于医学教学中的呼吸机通气模式波形模拟方法

技术领域

本发明涉及数学模型领域，特别地涉及过程建模和波形计算领域。

背景技术

医学临床上，呼吸机的使用是很普遍的，特别在急救医学方面，各种原因引起的急性呼吸衰竭、慢性呼吸衰竭急性加剧、重度急性肺水肿和哮喘持续状态、小儿心胸外科的术中术后通气支持、呼吸功能不全者纤维支气管镜检查、颈部和气管手术等情况下都会使用呼吸机。

在医学院校的实际教学中，学生们不可能有太多的机会去ICU病房实际操作呼吸机，更不可能去对真正病人改变呼吸机参数以观察病人呼吸参数的变化。这种情况极大地限制的医学教学，所以用一种模拟教学的方式来教授呼吸机的使用方法对学生以后的工作也有很大的帮助。

发明内容

本发明给出了一种呼吸机模拟教学的方法，用建立不同通气模式的数学模型，建立一些重要参数的波形公式的方法来对医学院校的学生进行呼吸机临床使用教学。以解决目前医学院校中呼吸机教学中不能亲自操作呼吸机的问题。

本发明给出了一种呼吸机通气模式的模拟方法，包括：统计人体实际呼吸时的相关生理参数，建立其关系公式；结合人体生理参数，根据不同通气模式的机器参数建立不同的数学模型；计算气道压力、通气流速、肺内气体容积的波形公式；优化数学模型，引入更多的人体生理参数，结合实际呼吸的情况，使模拟出来的波形更加真实。

本发明实例中给出的一种呼吸机不同通气模式的模拟教学方法，包含：统计和人体呼吸相关的生理参数；建立不同通气模式的数学模型；计算气道压力(paw)、通气流速(flow)、肺内气体容积(V)波形公式；优化数学模型和波形公式。

其中：

统计得到的和人体呼吸相关的生理参数都有专业来源，包含气道压力(paw)、通气流速(flow)、肺内气体容积(V)的主要生理参数为气道阻力(r)、肺的顺应性(c)等；

建立呼吸模式数学模型之前已经完全了解临床上各种通气模式的使用及原理和通气方式，并且了解各种通气模式的机器参数的调节。

建立气道压力、通气流速、肺内气体容积的波形公式时，考虑三个参数之间的相互关系。

因为实际呼吸和数学公式的计算仍旧存在较大差距，所以要尽可能加进多的生理参数来优化模型和公式。

本发明的有益效果在于，很好地模拟了呼吸机呼吸模式的三种波形，从而可以让呼吸机教学更加普遍，实现对三种波形的模拟后，可以进而计算出其他观测参数，极大的丰富了呼吸机教学。

附图说明

图1为模拟的CPAP模式的气道压力波形图；

图2为模拟的CPAP模式的通气流速波形图；

图3为模拟的CPAP模式的肺内气体容积波形图。

图4为模拟的IPPV模式的气道压力波形图；

图5为模拟的IPPV模式的通气流速波形图；

图6为模拟的IPPV模式的肺内气体容积波形图。

具体实施方式

本发明实例给出一种模拟呼吸机不同通气模式的模拟方法，模拟方法如下：

统计影响三个呼吸观测参数的人体生理参数；

建立不同通气模式通气过程的数学模型；

根据该模型求出气道压力、通气流速、肺内气体容积的波形公式；

加入更多的调节参数，优化模型和公式计算方法。

下面对方法详细描述如下：

人体呼吸过程中的影响观测参数气道压力(paw)、通气流速(flow)、肺内气体容积(V)的主要生理参数为气道阻力(r)、肺的顺应性(c)。

其中气道压力和通气流速、气道阻力、肺内气体容积、肺的顺应性的数学关系为：

Paw＝V/c+flow*r；

肺内气体容积为流速的累积效果，所以可以当作是流速的积分。

下面简单介绍两种在临床上常用的通气模式及其大致建模方法：

间歇正压通气(Intermittent Positive Pressure Ventilation，简称IPPV)也称机械控制通气，是指呼吸机完全代替病人的自主呼吸，即病人的呼吸频率、潮气量、吸呼时间比和吸气流速完全由呼吸机控制实施，呼吸机承担全部呼吸工作。用此方式通气时，呼吸机不管病人自主呼吸的情况如何，均按预调的通气参数为病人间歇正压通气。

持续气道正压(continuous positive airway pressure，CPAP)CPAP是指在自主呼吸条件下，患者应有稳定的呼吸驱动力和适当潮气量，在整个呼吸周期内人为地施以一定程度的气道内正压。

建立IPPV通气模式数学模型的方法：

首先了解IPPV的通气过程，IPPV是一种忽略病人自主呼吸的通气模式，所以在建立压力(paw)、流速(flow)、气体容积(V)波形公式的时候，不用考虑人体的自主呼吸潮气量和自主呼吸频率，只考虑气道阻力和肺的顺应性加上机器参数就可以计算三个波形公式了。

IPPV有两种——定容IPPV和定压IPPV；以定容IPPV为例，机器提供的参数为：潮气量(Vt)，通气流速(flow)、屏气结束时间(tinsp)、气道压力上限(pinsp)、气道持续压力(peep)、机器通气频率(f)。

各个参数的关系为：Vt为一次机器通气的潮气量，flow为设定好的机器通气流速、tinsp为在一次通气过程中病人开始呼气的时间点、pinsp为气道压力的最大值，当气道内压力大于该值时，即减小流速以减小气道压力，保护病人、peep为气道内的持续压力，目的是防止病人肺泡萎缩。

流速公式：在机器给气阶段，流速大小等于设定流速，即flow，当经过屏气阶段，病人开始呼气时流速主要由肺内气体体积和气道阻力决定。

压力公式：IPPV通气模式下，气道内有持续正压peep，此时气道压力＝peep+通气阻力大小+肺内压力。并且在病人呼气时为自然呼气，此时肺内压力主要用于呼出肺内气体，所以在呼气时计算压力不应该包含肺内压力。

容积公式：由数学公式可知，体积可以看做流速的积分，所以对流速波形进行积分来得到容积波形。

需要注意的是，当模拟病人呼气时，呼出气体的流速是逐渐上升到最大，然后随着肺内气体的减少，流速逐渐下降到零，并且在实际病人呼气过程中，膈肌也会对肺产生压力从而影响呼气速度，所以计算时不能只以肺内气体体积来计算流速，应当引入多个生理参数。

计算IPPV波形公式时，因为流速是固定的，所以先计算流速公式，然后根据流速计算压力公式，最后根据流速积分来得到容积公式。同时应该注意，当压力到达上限时会对流速有限制影响。

建立CPAP通气模式数学模型的方法：

CPAP为定压通气过程，大多数呼吸机将CPAP模式设置成一种依靠病人自主呼吸触发，然后机器根据气道内压力大小给气的通气模式，当达到机器预设压力停止给气，转而由病人进行呼气。这种通气模式依靠病人的自主呼吸来触发机器给气，所以通气频率是根据病人的自主呼吸频率。

CPAP机器参数为：机器上升压力(pasb)、气道内持续压力(peep)、机器压力上升时间(ramp)、触发值(trigger)；

各个参数之间的关系为：trigger为当病人呼吸流速或压力到达触发值时，触发机器给气、pasb是机器给气时上升的压力值、ramp为压力上升时间，意思是在ramp的时间内使病人气道压力上升pasb的值、peep为持续气道压力，意思是CPAP通气过程中，气道内始终保持一个peep的压力值，目的是防止病人肺泡萎缩。

当病人没有触发时：

压力波形：吸气时为胸腔负压大小+气道内持续正压，呼气时为气道内持续正压；

流速波形：为病人自主呼吸的正弦波或方波；

容积波形：流速波形的积分。

当病人触发机器给气时：

压力公式：根据气道持续压力(peep)和pasb、ramp来计算吸气时压力的上升速度，结合气道阻力和肺内压力作为气道内压力。病人呼气时气道压力位peep；

流速公式：根据气道压力上升的速率，结合病人气道阻力，来计算吸气时流速，呼气气体流速时由肺内气体体积和气道阻力决定；

容积公式：对流速波形积分得到。

需要注意的是：CPAP是一种病人自主呼吸触发机器给气的定压通气方式，在计算波形的时候压力波形最容易被计算出来，由压力波形根据人体生理参数的关系得到流速波形，最后得到容积波形。

呼气时的流速计算也要考虑膈肌对肺内压力的影响。

不同的呼吸机对上述两种通气模式的设定也不同，上述只是介绍了两种通气模式的基本通气过程。

临床诊断中还有许多其他的重要观测参数，如：分钟通气量、气道压力峰值、分钟通气频率等等，这些都可以由上述三个波形得到。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质和方法对以上实施例所做的任何修改，等同变化与修饰，仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种用于医学教学中的呼吸机通气模式波形模拟方法，其特征在于，建立各种通气模式的数学模型，并且针对临床上对病人呼吸的主要观测参数，建立波形公式。

2.如权利要求1中所述方法，其特征在于，根据人体生理参数和机器不同模式下的通气参数来分别对不同通气模式建立数学模型。

3.如权利要求1中所述方法，其特征在于，该方法建立的波形公式为气道压力(paw)、通气流速(flow)、肺内气体容积(V)三个重要观测参数的波形公式。

4.如权利要求1中所述方法，其特征在于，建立波形公式的过程中，完全根据人体生理参数和机器的调节参数来计算，并且人体生理参数可以根据预先设定好的病情来模拟，机器调节参数可以由学生来调节以观测不同的机器通气参数对不同病情的作用。

5.如权利要求3中所述方法，其特征在于，临床上其他的呼吸观测参数都可以由这三个波形公式来得到，所有建立这三个基本观测参数的波形公式就可以得到医学教学所必须的信息。 

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