基于玻意耳定律的模拟肺的研究
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I
摘 要
随着医学技术的发展和人们生活水平的提高，呼吸机在临床上的应用越来越
广，呼吸机已经是各种临床抢救（如溺水、受伤等）、各种呼吸系统疾病治疗（如
急慢性呼吸衰竭、呼吸功能不全、睡眠障碍等）不可缺少的医疗设备。为了保证
呼吸机的使用效果和临床使用安全性，加强其在研制、生产和使用过程中的性能
检测和标定尤为重要。模拟肺是呼吸机通气参数测试必不可少的设备，目前国内
对于用于呼吸机性能测试和定标的模拟肺的研究较少。因此，需要一种能够用于
呼吸机测试和定标用的高精度模拟肺。本课题主要是研究了基于玻意耳定理
(Boyle's Law)的模拟肺模型，它具有实现高精度的顺应性参数和气道阻抗调节功
能，可以用于呼吸机的性能测试和定标。
本课题根据人体呼吸系统的特征和呼吸机测试的基本原理，分析研究了一种
基于玻意耳定律的模拟肺模型。通过理论推导建立了模拟肺物理模型，搭建了完
整的模拟肺实验平台，对模型进行了实验分析。具体研究内容包括以下几个方面：
（1）概述模拟肺的研究现状和发展前景，对呼吸机的性能测试要求和方法进
行分析及其对模拟肺特性参数的要求。
（2）对基于玻意耳定理的模拟肺模型进行了理论推导，建立了模拟肺的数学
物理模型，并对模型主要参数和主要影响因素进行了理论分析。理论分析结果表
明：模型具有固定的顺应性(Compliance)特性，其顺应性大小主要跟模型的容积有
关，同时其精度主要受模型内的温度变化的影响。
（3）根据模拟肺模型参数特性和呼吸机通气性能测试的基本方法，设计并搭
建了模拟肺实验研究平台，主要包括模拟肺模型、呼吸机、传感器、数据采集硬
件系统及基于 LabVIEW 的数据采集和分析处理软件系统等。另外，对模拟肺模
型的温度补偿方法和气道阻抗调节方法进行了研究。利用模拟肺模型实验研究平
台对模型的顺应性，温度补偿方法及气道阻抗调节等进行了相关实验。
实验表明，基于玻意耳定理的模拟肺模型具有固定的顺应性，通过温度补偿
后可以实现高精度的顺应性特性，同时模型的气道阻抗可以实现较大范围的调节。
因此，这是一种高精度的模拟肺，可以用于呼吸机通气性能测试和定标等。
关键词：呼吸机 顺应性 模拟肺 玻意耳定律
II
ABSTRACT
With the development of medical technology and the improvement of people's
living standards, ventilator has been applied in clinical more widely. Ventilator has
become the essential medical equipment in clinically rescuing and treating the
respiratory diseases which are caused by various reasons, such as the acute/chronic
respiratory failure, and the respiratory insufficiency, etc. To ensure the effectiveness and
the clinical security of ventilators, it’s particularly important to enhance the testing and
the calibration in the process of development, production and use. Lung Simulated is the
incredible equipment in the performance testing of ventilator. Currently, domestic
studies on Lung Simulator are rather fewer. Therefore, a Lung Simulator model with
high precision is needed to test and calibrate ventilators. This project mainly studies the
Lung Simulator model which is based on Boyle law. With the high-precision
compliance parameters and the function of adjusting airway resistance, this model can
be used in performance testing and calibration of ventilator.
According to the characteristics of human respiratory system and the basic
principle of ventilator test, this subject will analyze and study a kind of Lung Simulator
model which is based on Boyle law. Through theoretical analyzing, a physical model
and a complete experimental platform of Lung Simulator was established. Then some
experiments and analyses were done on that model. Specific studies are as follows:
(1) Summaries on the present status and the developing prospects of Lung
Simulator; analyses of the requirements and methods of ventilator performance test; and
the requirements of the property parameters of Lung Simulator.
(2) Theoretical deductions were done on the Boyle law-basing Lung Simulator
model and then a mathematical and physical model of Lung Simulator was built. The
main parameters and the major influential factors of this model were theoretically
analyzed. Theoretical analyses show that the model has the characteristic of fixed
compliance whose size is mainly related to the volume of the model, while the accuracy
is primarily affected by the temperature changes in the model.
(3) According to the parameter properties of simulated model and the basic
methods of ventilator performance test, an experimental research platform of Lung
Simulator was designed and built, mainly including Lung Simulator model, ventilator,
sensors, hardware system of data acquisition and data acquisition and analysis
III
processing system based on LabVIEW. In addition, some studies were done on the
temperature compensation methods and the airway resistance adjusting ways of the
Lung Simulator model. Utilizing the experimental research platform of Lung Simulator
model, some related experiments were done on this model, such as its compliance, the
temperature compensation methods, and the airway resistance adjusting ways, etc.
Experiments show that the Lung Simulator model basing on Boyle law has fixed
compliance, which can obtain the property of compliance with high precision through
temperature compensation, and meanwhile the airway resistance of this model can be
adjusted in a much wider range. Therefore, it is a kind of high-precision Lung Simulator
which can be used in performance testing and calibration of ventilator and so on.
Keyword: Ventilator，Compliance, Lung Simulator，Boyle's Law
IV
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景...................................................................................................1
§1.2 课题研究意义...................................................................................................2
§1.3 国内外研究现状...............................................................................................2
§1.3.1 国外研究现状...........................................................................................3
§1.3.2 国内研究现状...........................................................................................4
§1.4 课题研究内容及结构.......................................................................................6
第二章 呼吸机测试概述.................................................................................................7
§2.1 呼吸机...............................................................................................................7
§2.1.1 呼吸机的分类...........................................................................................8
§2.1.2 机械通气模式.........................................................................................10
§2.2 模拟肺.............................................................................................................11
§2.3 呼吸机性能测试.............................................................................................12
§2.3.1 静态测试.................................................................................................13
§2.3.2 动态测试.................................................................................................14
§2.4 本章小结.........................................................................................................15
第三章 模拟肺实验模型研究.......................................................................................16
§3.1 模型概述.........................................................................................................16
§3.2 模型的理论推导.............................................................................................17
§3.3 模拟肺模型的参数分析.................................................................................19
§3.4 本章小结.........................................................................................................19
第四章 模拟肺实验平台研究.......................................................................................20
§4.1 模拟肺实验研究平台的总体结构设计.........................................................20
§4.2 模拟肺系统的硬件设计.................................................................................21
§4.2.1 模拟肺结构设计.....................................................................................21
§4.2.2 温度补偿设计.........................................................................................22
§4.2.3 传感器的选择和设计.............................................................................24
§4.2.4 数据采集卡.............................................................................................28
§4.2.5 呼吸机.....................................................................................................30
V
§4.2.6 计算机.....................................................................................................31
§4.3 模拟肺系统的软件设计.................................................................................31
§4.3.1 LabVIEW ....................................................................................................31
§4.3.2 软件组成和设计流程图.........................................................................33
§4.3.3 界面设计.................................................................................................33
§4.3.4 控制和采集系统.....................................................................................34
§4.3.5 数据分析处理系统.................................................................................35
§4.3.6 数据存储和显示系统.............................................................................36
§4.4 气道阻抗调节装置的设计.............................................................................36
§4.5 本章小结.........................................................................................................38
第五章 实验研究和数据分析.......................................................................................39
§5.1 模拟肺的实验设计.........................................................................................39
§5.2 顺应性验证实验.............................................................................................40
§5.3 温度补偿实验研究.........................................................................................42
§5.4 气道阻抗调节研究.........................................................................................44
§5.5 本章小结.........................................................................................................46
第六章 总结...................................................................................................................47
参考文献.........................................................................................................................49
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................52
致 谢.............................................................................................................................53
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景
随着医学技术的发展和人民生活水平的不断提高，呼吸机在临床上的应用越
来越广泛，呼吸机已经成为临床抢救及治疗各种原因引起的急慢性呼吸衰竭或呼
吸功能不全等呼吸系统疾病不可缺少的医学设备，其主要用于帮助病人改善肺通
气性、解除病人缺氧和降低二氧化碳在病人体内的滞留等，从而改善病人的呼吸
换气功能[1]。其不仅可以对患者提供辅助呼吸，甚至也可以完全替代人体自身的
通气功能，使得在治疗呼吸功能不全等疾病时对患者提供生命支持等方面发挥着
重要的作用。根据美国呼吸学会资料统计显示，自呼吸机投入使用以来，使得抢
救成功率提高了 50%以上[2]。呼吸机、麻醉机已经广泛用于急救复苏、手术麻醉、
术后恢复和重症监护（Intensive Care Unit，ICU）等治疗之中，逐渐成为是临床
和急救中必不可少的医学设备之一[1,2]。
近几十年来，呼吸机在急救复苏、手术麻醉和重症监护（ICU）等领域广泛
应用，围绕着临床上呼吸治疗的问题也逐渐暴露了很多，如何更好的使用呼吸机，
如何保证这种急救设备能够很好的在临床上发挥应有的作用，减少和避免其在临
床使用过程中出现的问题成为呼吸动力学和临床上面临的一个重要的问题[3]。
我国呼吸机治疗相对发达国家来说，发展起步较晚、也比较缓慢。在国内，
呼吸机的研制生产、临床使用及其质量管理的水平都还较低，投入临床使用二十
年来仍未列入国家医学计量强制检查项目，其质量控制也就未得到相应的重视，
使得临床上使用的许多呼吸机出现参数失准、故障频繁、隐患多多等现象，对患
者的安全构成一定的威胁，国产的呼吸机的市场应用也受到了很大的阻碍[2]。近
几年来，特别是 2003 年的传染性非典型肺炎（Severe Acute Respiratory Syndrome，
SARS）疫情之后，国内对机械通气治疗的研究和应用迅速发展，呼吸机的需求量
迅速增长，因此为了保证使得呼吸机的使用效果和临床安全，加强其在研制生产
和使用过程中的检测方面的工作就尤为重要[3]。
呼吸机的性能符合性测试一般包括呼吸机的电气安全测试和机械通气性能的
测试，呼吸机的电气安全测试在国家标准《医用设备电气安全第 2部分呼吸机安
全专用要求治疗呼吸机》中有专门的电气安全测试具体的相关规定[4]。目前，国
内外都致力于机械通气性能测试的研究，说明呼吸机的机械通气性能测试的问题
是机械通气应用中的热点研究。模拟肺是呼吸机机械通气性能测试中必不可少的
设备，模拟肺的特性、参数精度会直接影响着呼吸机机械通气性能测试的精度和
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I摘要随着医学技术的发展和人们生活水平的提高，呼吸机在临床上的应用越来越广，呼吸机已经是各种临床抢救（如溺水、受伤等）、各种呼吸系统疾病治疗（如急慢性呼吸衰竭、呼吸功能不全、睡眠障碍等）不可缺少的医疗设备。为了保证呼吸机的使用效果和临床使用安全性，加强其在研制、生产和使用过程中的性能检测和标定尤为重要。模拟肺是呼吸机通气参数测试必不可少的设备，目前国内对于用于呼吸机性能测试和定标的模拟肺的研究较少。因此，需要一种能够用于呼吸机测试和定标用的高精度模拟肺。本课题主要是研究了基于玻意耳定理(Boyle'sLaw)的模拟肺模型，它具有实现高精度的顺应性参数和气道阻抗调节功能，可以用于呼吸机的性能测试...
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作者：陈辉
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时间：2024-11-19
