[发明专利]一种肺腺泡血气交换功能的建模仿真方法

说明书

本发明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‑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。现有的肺腺泡循环系统模型不具备气体交换功能，更重要的是不具备顺应性调控机制。本发明基于肺泡、肺腺泡单元、肺腺泡的逐级建模方法实现了具有顺应性调控机制的耦合气体交换功能的肺腺泡循环系统建模仿真，有利于医生对患者的精准诊疗。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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 发明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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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：

(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：