[发明专利]一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法

权利要求书

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_paO₂，C_paCO₂，是模型的输入，C_AO₂与C_ACO₂是模型的输出。P_AO₂与P_ACO₂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_paO₂，C_paCO₂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_AO₂与C_ACO₂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_IO₂，P_IN₂分别为进入肺泡空气的氧气和氮气分压，P_AN₂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_AO₂，C_ACO₂与肺泡中的气体分压P_AO₂与P_ACO₂的关系，结合肺泡气体交换模型的关系式建立关于P_AO₂，P_ACO₂与C_AO₂，C_ACO₂之间的非线性方程组，由该方程组可以解得P_AO₂，P_ACO₂，从而输出C_AO₂，C_ACO₂；

(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；

(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。

(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。