主動(dòng)模擬肺的類型和應(yīng)用研究

王海濤，闕呈立，張 廣，鄭捷文，盧恒志，宋振興

0 引言

模擬肺是模擬呼吸系統(tǒng)的裝置，一般是模擬其力學(xué)性質(zhì)。模擬肺分為被動(dòng)型和主動(dòng)型，前者無動(dòng)力源，只能在和其連接的呼吸機(jī)（或者其他外力）作用下模擬某些呼吸參數(shù)；后者有動(dòng)力元件，可以自主地模擬多種呼吸狀態(tài)。模擬肺尤其是主動(dòng)模擬肺，可以用于呼吸機(jī)等設(shè)備的研發(fā)、評(píng)價(jià)、操作教學(xué)等多個(gè)不同的領(lǐng)域[1]。在呼吸生理的教學(xué)科研部門，模擬肺也是必不可少的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

被動(dòng)模擬肺一般采用雙夾板氣囊結(jié)構(gòu)[2]。氣囊可以更換，以模擬不同的潮氣量。夾板的彈性可以調(diào)節(jié)，以模擬肺的順應(yīng)性。利用球閥模擬呼吸道阻力，可調(diào)節(jié)螺釘模擬管道的漏氣情況。這種模擬肺結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但無法模擬患者的自主呼吸狀態(tài)，無法測(cè)試、評(píng)價(jià)呼吸機(jī)的同步性能。

由于呼吸機(jī)研發(fā)以及呼吸生理測(cè)量裝置校準(zhǔn)的需求，主動(dòng)模擬肺應(yīng)運(yùn)而生，且各具特色。本文綜述了文獻(xiàn)報(bào)道中多種模擬肺的結(jié)構(gòu)原理，并從和呼吸生理形態(tài)參數(shù)相似的角度總結(jié)了其特點(diǎn)，指出其進(jìn)一步的發(fā)展重點(diǎn)。需要說明的是，市場(chǎng)上還有一類稱為呼吸機(jī)測(cè)試儀的產(chǎn)品[3]，與模擬肺無關(guān)，本文不作闡述。

1 主動(dòng)模擬肺的類型

主動(dòng)模擬肺的基本構(gòu)成有2個(gè)部分，分別是執(zhí)行部件和被動(dòng)部件。被動(dòng)部件在執(zhí)行部件的作用下，產(chǎn)生符合生理、病理特征的呼吸流量、壓力信號(hào)。主動(dòng)模擬肺有多種實(shí)現(xiàn)形式，以下分別說明。

第一類主動(dòng)模擬肺是氣囊彈簧結(jié)構(gòu)。其典型代表是美國Michigan儀器公司生產(chǎn)的TTL型主動(dòng)模擬肺，采用2個(gè)氣囊模擬雙肺，每個(gè)氣囊上有加載彈簧（順應(yīng)性元件），用于模擬雙肺的順應(yīng)性，通過調(diào)節(jié)彈簧作用點(diǎn)的方式調(diào)節(jié)加載力，從而調(diào)節(jié)氣囊的順應(yīng)性。呼吸道阻力則通過更換具有不同阻力值的管道實(shí)現(xiàn)。模擬肺本身沒有執(zhí)行部件，模擬主動(dòng)呼吸時(shí)2個(gè)氣囊用剛性桿件（文獻(xiàn)中稱為lifting bar）連接，使用一臺(tái)呼吸機(jī)（稱為驅(qū)動(dòng)呼吸機(jī)）連接其中的一個(gè)氣囊，作為執(zhí)行部件，另外一個(gè)氣囊則和待測(cè)試的呼吸機(jī)相連，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示[4]。當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)呼吸機(jī)也可以用定制的流量發(fā)生器代替[5]。

圖1 氣囊彈簧型模擬肺的使用示意圖

第二類主動(dòng)模擬肺是箱-囊式結(jié)構(gòu)，具有一定順應(yīng)性的氣囊安裝在剛性箱體的內(nèi)部，氣囊容積小于箱體，二者之間有一定的空間，用來模擬胸膜腔，利用執(zhí)行部件在胸膜腔產(chǎn)生可以變化的負(fù)壓，氣囊在內(nèi)外壓差的作用下收縮或者擴(kuò)展，以模擬主動(dòng)呼吸。執(zhí)行部件可以是高壓噴射氣流或者是真空泵。利用高壓噴射氣流的一個(gè)模擬肺，如圖2所示[6]，箱體連接一個(gè)T形管，來自高壓氣源的高速氣流噴射經(jīng)過T形管，在胸膜腔內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，從高壓氣源到T形管依次是減壓閥、比例螺線閥。螺線閥的通斷由一個(gè)函數(shù)發(fā)生器控制，減壓閥可以調(diào)節(jié)負(fù)壓的大小，函數(shù)發(fā)生器可以模擬多種呼吸模式。氣囊的個(gè)數(shù)也可以是2個(gè)，如圖2（b）所示[7]，上氣囊代表肺，下氣囊代表膈肌，在設(shè)計(jì)模擬肺時(shí)具有更大的靈活性。若2個(gè)氣囊并行連接，則可以模擬雙肺。執(zhí)行部件也可用真空泵[8]。

剛性的箱體也可以用柔性的氣囊代替，即大氣囊套一個(gè)小氣囊，執(zhí)行部件一般用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)大氣囊收縮和擴(kuò)展產(chǎn)生壓差的變化。

第三類模擬肺是活塞結(jié)構(gòu)[9-11]，活塞和缸體（或者囊體）形成一個(gè)密閉空間，活塞在執(zhí)行部件的帶動(dòng)下移動(dòng)，使密閉空間收縮或者擴(kuò)張，產(chǎn)生流量和壓力信號(hào)，如圖3所示[11]。呼吸道阻力應(yīng)用一個(gè)自動(dòng)控制的阻力閥門模擬，阻力值可以在線調(diào)節(jié)。缸體一般是剛性的，囊體一般是柔性的，2種形式都有采用。

上述模擬肺的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行部件各異，對(duì)呼吸系統(tǒng)的模擬效果各有不同，現(xiàn)從肺（以及胸廓）的順應(yīng)性、氣道阻力角度總結(jié)，見表1。

圖2 箱-囊式主動(dòng)模擬肺

圖3 活塞式主動(dòng)模擬肺

表1 各種模擬肺的性能比較

對(duì)于用于呼吸機(jī)測(cè)試的主動(dòng)模擬肺而言，應(yīng)全面模擬各種呼吸狀態(tài)。自主呼吸和無呼吸交替出現(xiàn)的混合呼吸狀態(tài)是測(cè)試呼吸機(jī)性能的理想方式，尤其是具備逐次呼吸地改變呼吸狀態(tài)的功能。前2種模擬肺的被動(dòng)部件本身具有順應(yīng)性，合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，可以模擬肺的順應(yīng)性，在切斷執(zhí)行部件的動(dòng)力后，可以模擬被動(dòng)呼吸（即由呼吸機(jī)提供全部的呼吸支持）。所以，前2種模擬肺具備逐次呼吸地改變呼吸狀態(tài)的條件，而活塞型模擬肺的被動(dòng)部件的順應(yīng)性為零，或者其順應(yīng)性難以調(diào)節(jié)，模擬被動(dòng)呼吸困難。呼吸器官在病理?xiàng)l件下，其力學(xué)特性與正常值有顯著差異，一個(gè)突出表現(xiàn)是胸膜腔負(fù)壓的變化和呼吸道氣流的變化存在時(shí)間上的不一致。某些哮喘急性發(fā)作的患者呼氣阻力增加，呼氣氣流較小，呼氣持續(xù)時(shí)間較長，以至于胸膜腔負(fù)壓開始增加，表明吸氣開始，仍存在呼氣氣流。所以，能模擬胸膜腔負(fù)壓的第二類箱-囊式模擬肺具有更大的優(yōu)勢(shì)。呼吸道阻力值的在線調(diào)節(jié)已有研究[12]，被動(dòng)部件順應(yīng)性的在線調(diào)節(jié)是一個(gè)難點(diǎn)。在病理?xiàng)l件下，順應(yīng)性與多種因素有關(guān)，不是一個(gè)定值。例如對(duì)于肺氣腫患者，肺泡有“快肺泡”和“慢肺泡”之分，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)順應(yīng)性隨著呼吸頻率的增加而降低[13]，對(duì)于此類順應(yīng)性的模擬是目前模擬肺的不足。主動(dòng)模擬肺設(shè)備應(yīng)在以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）可以模擬自主呼吸、無呼吸等各種狀態(tài)。特別強(qiáng)調(diào)，逐次呼吸改變模擬肺的吸氣阻力對(duì)呼吸機(jī)測(cè)試設(shè)備而言具有重要的作用。

（2）可以模擬肺的順應(yīng)性和氣道阻力及其病理?xiàng)l件下的變化，在線調(diào)節(jié)順應(yīng)性和阻力值優(yōu)于手動(dòng)調(diào)節(jié)方式。

（3）有完善的人機(jī)界面，便于操作者使用，尤其是準(zhǔn)確測(cè)量多個(gè)呼吸參數(shù)并顯示和處理。

2 結(jié)論

雖然呼吸系統(tǒng)是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng)，但集中參數(shù)的物理模型仍是以后一個(gè)時(shí)期的主流方式，已有的模擬肺都是集中參數(shù)模型，分布式參數(shù)模型多應(yīng)用在數(shù)值模擬中。此外，當(dāng)前的模擬肺都是力學(xué)模擬，對(duì)于肺泡血?dú)饨缑嫔系臍怏w交換的模擬還鮮有研究，如能把二者結(jié)合起來，模擬肺將具有更大的使用價(jià)值。本文總結(jié)了3類主動(dòng)模擬肺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并分析了其優(yōu)劣，指出模擬肺的發(fā)展重點(diǎn)，對(duì)于模擬肺的選型、研制具有一定的參考意義。

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