一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法，从单肺泡毛细血管的血流动力学出发，从肺泡到肺腺泡单元再到肺腺泡的小尺度肺循环系统逐级建模，并耦合气体交换模型，建立小尺度(肺腺泡)循环功能

【技术实现步骤摘要】
一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法


[0001]本专利技术涉及肺腺泡建模仿真领域，尤其涉及一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法。

技术介绍

[0002]呼吸系统疾病严重危害人类健康。类似新冠肺炎这样的呼吸系统疾病会造成患者肺损伤， 呼吸困难，进而引起呼吸窘迫综合征(ARDS)。其治病机理之一就是肺顺应性下降。研究肺 顺应性改变如何影响呼吸至关重要。现有的研究方法基于传统的分步吸气或呼气法测量肺顺 应性，然后研究其与呼吸功能，如功能残气量(FRC)，第一秒用力呼气容量(FEV1),用力肺 活量(FVC)以及血液氧分压的关系。其主要基于临床实验，需要耗费大量的人力、物力，还涉 及伦理问题，不能对各种极限情况进行研究。
[0003]基于生理上的数学建模的研究方法可以实现对人体器官的仿真研究，解决上述问题。本 专利技术主要关心肺的血气交换功能。肺进行气体交换时，肺泡气体中的氧气进入氧分压相对较 低的血液，而血液中的二氧化碳则离开血液进入肺泡腔中的气体，直到肺泡气体中的气体分 压与血液中的相应的气体分压达到平衡，这一过程需要通过血气交换模型来描述。
[0004]但现有的对肺腺泡循环系统模型建模技术不具备气体交换功能，更重要的是不具备顺应 性调控机制，并不能观察肺内小尺度组织如肺泡、肺腺泡在顺应性变化下的气体交换功能和 其毛细血管氧含量变化。这不利于清晰展现肺功能在肺组织中的分布，影响医生精准诊疗决 策。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提出一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法， 通过建立肺内小尺度组织(如肺泡、肺腺泡)的血气交换模型，解决现有建模仿真方法不能 观察肺内小尺度组织在顺应性变化情况下的气体交换功能变化情况。实现肺腺泡一级的气体 交换功能仿真，为医生精准诊疗提供决策。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法， 从单肺泡毛细血管的血流动力学出发，从肺泡到肺腺泡单元再到肺腺泡的小尺度肺循环系统 逐级建模，并耦合气体交换模型，建立肺腺泡循环功能
‑
气体交换功能耦合的模型，以顺应性 为模型输入，以血液氧含量和氧气交换量为输出，实现肺顺应性变化情况下的气体交换功能 建模仿真。该方法包括以下步骤：
[0007](1)建立单肺泡循环系统功能模型：以肺泡顺应性作为循环系统功能模型的输入，以连 接肺泡毛细血管的微静脉中的氧气浓度作为肺泡循环系统功能模型的输出；肺泡循环系统功 能模型包括血液流体力学模型和气体交换模型两部分；
[0008](1.1)肺泡毛细血管“片流”模型：
[0009]肺泡毛细血管“片流”模型即血液流体力学模型，由于相同肺泡压力下肺泡体积的
大小 代表了肺泡顺应性，因此以肺泡直径为肺泡体积代表肺泡顺应性作为“片流”模型输入，输 出为片流的流量即肺泡毛细血管中的血流量；关系式如下：
[0010][0011]式中，Q为片流的流量，h
a
为与动脉相连的片层厚度，h
v
为与静脉相连的片层厚度，L为 片层长度，α为弹性变形系数，μ为血液粘滞系数；
[0012](1.2)肺泡气体交换模型：以步骤(1.1)中“片流”模型输出的片流的流量作为肺泡气 体交换模型的输入，以肺泡毛细血管的微静脉中的氧气浓度和二氧化碳浓度作为肺泡气体交 换模型的输出；关系式如下：
[0013][0014]式中，C
pa
O2，C
pa
CO2，是模型的输入，C
A
O2与C
A
CO2是模型的输出。P
A
O2与P
A
CO2分 别表示肺泡毛细血管的微静脉中的血液达到气体交换平衡后的氧气和二氧化碳分压，是未知 中间量；C
pa
O2，C
pa
CO2分别表示肺泡毛细血管的微动脉中的血液中氧气、二氧化碳浓度，C
A
O2与C
A
CO2分别表示肺泡毛细血管的微静脉中的血液中氧气、二氧化碳浓度，分别为由 肺泡体积决定的每分钟肺泡呼气通气量和血液灌注量，P
I
O2，P
I
N2分别为进入肺泡空气的氧 气和氮气分压，P
A
N2为肺泡毛细血管的微静脉中的血液达到气体交换平衡后的氮气分压；
[0015]通过血液中氧气与二氧化碳的解离曲线，获得离开肺泡毛细血管的血液中的C
A
O2,C
A
CO2与肺泡中的气体分压P
A
O2与P
A
Co2的关系，结合肺泡气体交换模型的关系式建立关于 P
A
O2,P
A
CO2与C
A
O2,C
A
CO2之间的非线性方程组，由该方程组可以解得P
A
O2,P
A
CO2，从而输 出C
A
O2,C
A
CO2；
[0016](2)建立肺腺泡单元循环系统功能模型：定义肺腺泡中单支气管分叉及其上的肺泡为肺 腺泡单元，每个肺腺泡单元都有一个动脉分叉和一个静脉分叉相连，肺腺泡单元循环系统功 能模型由动静脉分支血管、与血管相连的毛细血管为基本结构的肺腺泡单元循环系统模型和 相应的依据步骤(1.2)建立的肺泡毛细血管气体交换功能模型组成；根据肺泡毛细血管的流 量守恒定律以及泊肃叶血流动力学方程，计算得到各血管的分叉点的压力值，进一步计算得 到肺泡毛细血管的血流量，将肺泡毛细血管的血流量作为输入，通过依据步骤(1)建立的耦 合在肺腺泡毛细血管血流动力学模型上的气体交换模型，计算得到肺腺泡毛细血管单元的中 肺泡的气体交换量和静脉氧浓度；
[0017](3)建立肺腺泡循环系统功能模型：单个肺腺泡是以肺腺泡单元为基本组成结构的二分 叉树。肺腺泡循环系统被是与肺腺泡结构相一致的二分叉树；根据肺腺泡循环系统结构，基 于血管分叉处流量守恒定律，建立血流动力学方程组，并设定血管网络边界条件，得到每段 血管的流量以及节点压力，将肺腺泡中的肺泡毛细血管流量作为输入，输入耦合的气体交换 模型，得到整个肺腺泡的气体交换量和其静脉血管氧浓度。
[0018](4)根据步骤(1)建立的单肺泡循环系统功能模型和步骤(3)建立的肺腺泡循环系统 功能模型，以肺泡直径变化为输入，仿真单个肺泡和整个肺腺泡的气体交换功能。
[0019]进一步地，步骤(1.1)中，片层长度由肺泡体积决定，片层厚度h
i
由血液静压力减去肺 泡气压的压力差ΔP决定，关系如下：
[0020]h
i
＝h0+α
×
ΔP，i＝a或v
[0021]式中，α为弹性变形系数，对于人其值为0.123μm/cmH2O，h0为初始值，对于人其值为 3.5μm。
[0022]进一步地，步骤(1.2中，P
I
O2，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法，其特征在于，从单肺泡毛细血管的血流动力学出发，从肺泡到肺腺泡单元再到肺腺泡的小尺度肺循环系统逐级建模，并耦合气体交换模型，建立肺腺泡循环功能和气体交换功能耦合的模型，以顺应性为模型输入，以血液氧含量和氧气交换量为输出，实现肺顺应性变化情况下的气体交换功能建模仿真。该方法包括以下步骤：(1)建立单肺泡循环系统功能模型：以肺泡顺应性作为循环系统功能模型的输入，以连接肺泡毛细血管的微静脉中的氧气浓度作为肺泡循环系统功能模型的输出；肺泡循环系统功能模型包括血液流体力学模型和气体交换模型两部分；(1.1)肺泡毛细血管“片流”模型：肺泡毛细血管“片流”模型即血液流体力学模型，由于相同肺泡压力下肺泡体积的大小代表了肺泡顺应性，因此以肺泡直径为肺泡体积代表肺泡顺应性作为“片流”模型输入，输出为片流的流量即肺泡毛细血管中的血流量；关系式如下：式中，Q为片流的流量，h
a
为与动脉相连的片层厚度，h
v
为与静脉相连的片层厚度，L为片层长度，α为弹性变形系数，μ为血液粘滞系数；(1.2)肺泡气体交换模型：以步骤(1.1)中“片流”模型输出的片流的流量作为肺泡气体交换模型的输入，以肺泡毛细血管的微静脉中的氧气浓度和二氧化碳浓度作为肺泡气体交换模型的输出；关系式如下：式中，C
pa
O2，C
pa
CO2，是模型的输入，C
A
O2与C
A
CO2是模型的输出。P
A
O2与P
A
CO2分别表示肺泡毛细血管的微静脉中的血液达到气体交换平衡后的氧气和二氧化碳分压，是未知中间量；C
pa
O2，C
pa
CO2分别表示肺泡毛细血管的微动脉中的血液中氧气、二氧化碳浓度，C
A
O2与C
A
CO2分别表示肺泡毛细血管的微静脉中的血液中氧气、二氧化碳浓度，分别为由肺泡体积决定的每分钟肺泡呼气通气量和血液灌注量，P
I
O2，P
I
N2分别为进入肺泡空气的氧气和氮气分压，P
A
N2为肺泡毛细血管的微静脉中的血液达到气体交换平衡后的氮气分压；通过血液中氧气与二氧化碳的解离曲线，获得离开肺泡毛细血管的血液中的C
A
O2，C
A
CO2与肺泡中的气体分压P
A
O2与P
A
CO2的关系，结合肺泡气体交换模型的关系式建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁钢民，蒋升，傅再扬，李佩伦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：