测量基于流动性原理设计的肺呼吸模型的肺部顺应性,应用物理学论文.docx
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1、测量基于流动性原理设计的肺呼吸模型的肺部顺应性,应用物理学论文随着医学科技的飞速发展,医学物理课程越来越遭到医学生的重视1.作者根据复旦大学物理教学考察组访问美国6所名校的考察报告中提到的教学理念2,对医学生的医学物理实验进行了教学改革,研制了与医学结合严密的实验教学仪器。肺呼吸物理是医学物理课程中的重要教学内容,而缺少肺呼吸物理实验的现在状况长期影响着学生对该教学内容的理解及应用,进而使得后续的生理学乃至内1科学中的相关教学内容的临床应用及研究遭到一定的影响。为此,研制了肺呼吸物理教学实验仪并设计测量了模型肺的V-p曲线及肺顺应性。通过该实验教学,学生可深切进入了解肺呼吸的物理机制,把握反映
2、肺弹性的物理参量,即肺顺应性的测量原理及方式方法,理解肺呼吸V-p曲线的物理意义,了解流动类似性原理应用于模型实验的方式方法。 2、实验原理 2.1基本概念 呼吸经过3:胸腔是一封闭系统,在呼吸肌胸肌、膈肌、腹肌弹性力作用下,肋骨外扩横膈膜下降,因而胸腔体积增大,胸腔内压强减小,当小于大气压时,新鲜空气进入肺泡,肺泡张大,完成吸气经过。在肺组织弹性恢复力的作用下,横膈膜上升,胸腔的体积减小,胸腔内压强增大,当压强大于大气压时,肺泡内的气体排出,完成了呼气经过。 流动类似性4:对于某些实际流体的流动,由于环境条件、测量方式方法和工具的局限性,实体上难以观测,用模型实验探寻求索复杂流动规律的方式方
3、法已被应用于航天、航空、气象及生物等研究领域。但实验模型的制作必须遵守流动类似性原则,即流体的流动环境知足力学类似、几何形状类似、雷诺数类似等,模型实验的结果才能应用于实际。 本实验所使用的肺呼吸物理模型,在设计上参考了该研究领域所认同的模拟方式方法5,以能够反映肺泡内、外压强差变化、肺泡内气体体积与胸腔内压强的关系即肺V-p曲线为目的,在气体流动环境的几个方面运用了力学类似和几何类似原则,以保证模型实验与真实肺在反映肺弹性特征上的等效性,以及由模型实验结果推知真实规律的可靠性。 2.2体积-压强曲线 在呼吸经过中,肺泡内气体体积随胸腔内压强的变化关系称为肺呼吸体积-压强曲线,即V-p曲线,如
4、此图1所示6.由图1能够看出,吸气时,肺泡内气体体积随胸腔内压强减小而增大;呼气时,肺泡内气体体积随胸腔内压强的回升而减小。肺的体积-压强曲线的形状在吸气和呼气时是不同的,即在给定压强时,肺在呼气时的肺泡内体积总是大于吸气时的体积,这种行为被称为滞后现象。滞后现象基于肺组织的黏弹性和肺泡内外表活性物质的外表张力的共同作用,前者大于后者。肺组织是黏弹体,同时表现出弹性和黏性,呼气时,肺组织的黏性内摩擦力比吸气时大,进而导致肺组织弹性恢复滞后。另外,在吸气和呼气经过中,肺泡内的外表活性物质的分布以及外表张力随肺泡半径变化,使得肺泡内黏液的附加压强2 /r也随之变化7,呼气时的附加压强比吸气时大,这
5、也是导致呼气时肺弹性恢复滞后的原因之一。 呼吸时肺的V-p曲线的斜率称为肺顺应性6,用C表示。 C= V/ p. 肺顺应性表示出了肺的弹性特征。 平稳呼吸时,人肺的 顺 应 性 在200 mL/cmH2O1cm H2O=98Pa8左右。当肺组织弹性或力学环境改变时,肺顺应性也会相应改变。肺气肿、哮喘及肺纤维化病人的肺顺应性可能减小。 3、实验仪器 FDJSL-A型肺呼吸物理实验仪复旦大学物理教学实验中心研制由胸腔模拟系统、腹腔动力系统和体积压强测量系统组成,构造方框图见图2,实验仪器图片见图3. 胸腔模拟系统由胸腔体、等效肺泡、等效气管、横膈膜组成。腹腔模拟系统由腹腔体和控制腹压的活塞组成。
6、根据几何类似的原则,模型各部分的几何形状和尺寸应与实体类似且有一定比例关系。因此,胸、腹腔体设计为圆筒状实体截面为两轴相近的椭圆,胸、腹腔两长度比值11及截面积比值11与实体相近。气管设计分3级,即气管、支气管和小支气管,为便于制作,把很多平行的小支气管等效为1个管道9,等效小支气管与等效肺泡相联,为便于观察肺泡变化,这里以5个等效肺泡模拟肺组织和肺泡,分别代表人肺中的5个肺叶即左肺2叶,右肺3叶。 根据力学类似的原则,实验模型的流体流动环境的受力分布应与实体中的分布有合理的比例关系。本实验中,吸气和呼气都伴随有气体流动,气管一侧与气管内的受力与实体相当,都是大气压;等效肺泡外即胸腔内的压强变
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