无需经口鼻腔或气道切口插管建立人工气道的无创双水平气道正压通气（Bi-PAP）广泛应用于各种呼吸病患者的通气治疗。为研究无创Bi-PAP通气下呼吸病患者的通气治疗状况及需要采取的通气措施，本文建立无创Bi-PAP通气治疗系统模型，进行仿真通气。所建系统模型包括无创Bi-PAP呼吸机模型、呼吸管路及面罩模型和呼吸病患者的呼吸模型。并在Matlab Simulink仿真环境设计系统仿真实验平台，模拟对无自主呼吸患者、慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者和呼吸窘迫综合征（ARDS）患者进行仿真通气。运用SPSS统计分析，将仿真所得通气流量、通气压力和潮气量等数据与基于主动模拟肺实验平台的物理实验所得数据进行比较分析。结果表明：源自仿真实验和物理实验的数据未见明显差异（P > 0.1），具有良好的相关性（R > 0.7）。所设计的无创Bi-PAP通气系统模型，能有效模拟实际通气系统进行通气实验，将有助于对无创Bi-PAP通气技术的研究，有助于临床医师对无创Bi-PAP通气技术的学习和了解。
引用本文： 袁越阳, 周理, 黄皓轩, 刘炜, 胡兴硕, 解立新. 无创双水平气道正压通气治疗系统建模及通气仿真. 生物医学工程学杂志, 2023, 40(2): 343-349. doi: 10.7507/1001-5515.202201051 复制
0 引言
呼吸系统疾病是威胁人们身体健康和生命安全最为严重的疾病之一。仅慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD），全球每年就有超过300万人因其而死亡，占全球总死亡数的6%以上[1]。常见的呼吸疾病主要有呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）、COPD、呼吸衰竭等[2-4]。针对此类疾病的治疗，患者通常需辅以呼吸机通气。自无创呼吸机能够方便患者居家治疗后，人们日益关注其通气方法及方式的研究[5-6]。特别是在非典型肺炎（severe acute respiratory syndrome，SARS）、新型冠状病毒肺炎（corona virus disease 2019，COVID-19）等传染性呼吸疾病暴发期间，无创呼吸机在治疗患者、抗击疫情方面发挥了重要的作用[7-8]，其应用备受患者和医务人员的关注。目前，无创双水平气道正压（bi-level positive airway pressure，Bi-PAP）通气是应用最为广泛和最有效的通气治疗模式之一[9]。
为了避免或减少通气临床试验所存在的风险，鉴于虚拟仿真的灵活性、安全性等因素，目前研究者们更倾向于虚拟仿真环境下建立呼吸模型来进行仿真实验。如文献[10-15]基于电路学建立呼吸模型开展了对呼吸道内气流气压分布的研究。最早建立的呼吸道RC模型[11]，用电路学电阻符号R和电容C来表示呼吸道的黏性气阻和肺顺应性。随后在RC模型的基础上先后分别提出了诸如Extended RIC（Resistance，Inertance，Compliance）模型、Augmented RIC模型等[12-14]。但是，针对包括通气装置和通气对象（患者呼吸道）在内的通气治疗系统模型鲜见报道。无创Bi-PAP呼吸机因其体积小巧、操作简便、临床风险相对较小，已广泛应用于一般病房和在家治疗的呼吸病患者。为此，本文基于Matlab（美国MathWorks公司，R2016a）的Simulink仿真环境，建立无创Bi-PAP通气治疗系统数学模型，开展仿真通气实验，为进一步研究和探索无创Bi-PAP通气提供条件。
1 建立系统模型
如图1a所示，无创Bi-PAP通气治疗系统主要由无创Bi-PAP呼吸机、湿化器、通气管路、面罩、压力采样管以及呼吸疾病患者组成。呼吸机按照人体呼吸规律交替输出吸气支持压（inspiration positive airway pressure，IPAP）和呼气支持压（expiration positive airway pressure，EPAP），并通过呼吸管路及面罩将IPAP和EPAP送至呼吸病患者的呼吸道，保障呼吸道的畅通，使呼吸气流进、出于肺部，实现肺与外部气体之间的交换。
图1
Bi-PAP通气治疗系统示意图及电学呼吸模型
a. 通气治疗系统连接示意图；b. 电学呼吸模型
Figure1. The diagram of therapy system of Bi-PAP ventilation and its electric respiration modela. therapy system of Bi-PAP ventilation; b. electric respiration model
气流在进入和排出肺部的过程中，需要克服气道对气流的黏性阻力和肺顺应性（或弹性力的倒数顺应性）。根据流体在通道中流动的力学原理和电声学原理，自20世纪70年代开始，Horsfifield等、Lutchen等学者先后建立了人体呼吸道电学模型[10-15]。如图1b所示，将气道黏性阻力Ra、肺顺应性CL、呼吸机输出的通气压Pa和人体自主呼吸时呼吸肌做功产生的胸内压Pmus、通气气流Qm和呼吸气流Qa、面罩端的漏气气流Qleak、大气及呼吸管路等分别比拟为电路学中的电阻、电容、电压源、电流、压控电流源、电源地及导线，建立了无创Bi-PAP通气治疗系统电学模型。
如图1b和式(1)所示：Bi-PAP输出通气压Pa分为两个阶段，即吸气阶段呼吸机输出IPAP和呼气阶段呼吸机输出EPAP[16-17]。在吸气阶段（0 < t < TI），呼吸机输出通气气压Pa从设定的EPAP呈指数上升到IPAP。在呼气阶段（TI < t ≤ T），呼吸机输出通气气压Pa从设定的IPAP呈指数下降到EPAP。式中τ为表示上升和下降快慢的时间常数。
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人体呼吸肌做功输出胸内压的数学模型如式(2)所示[18-20]，式中Pmus_max为最大负压值。吸气时（0 < t < TI）包括呼吸肌收缩（0 < t ≤ Tpmrise）和恢复（Tpmrelease < t ≤ TI）过程，此时胸腔扩大，生成胸内负压Pmus，气流Qa被吸入肺部；呼气时（TI < t ≤ T），也即呼吸肌处于放松状态，胸腔在外界大气的作用下被还原，气流Qa被呼出肺部。
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呼吸机输出的气流Qm如式(3)所示，一部分经呼吸管路和面罩进入呼吸道形成呼吸气流Qa，另一部分从面罩漏气孔作为漏气流Qleak排入大气。
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漏气流Qleak的存在是防止二氧化碳潴留的必要条件，如式（4）所示，其大小与压力Pa呈指数函数关系，式中待定系数m、n对于不同型号的面罩会有不同的值，可以通过实验标定获得。
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根据流体沿程损失分布和电路学基尔霍夫定律（Kirchhoff laws），呼吸机输出通气压Pa、呼吸气流Qa及呼吸道黏性气阻Ra、肺顺应性CL以及呼吸肌做功产生的胸内压Pmus的数学关系如式（5）所示[21-22]。
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2 通气仿真实验平台
图2所示为在Matlab的Simulink环境下建立的无创Bi-PAP通气仿真实验平台。在平台中，运用函数（function，Fcn）功能，设计“呼吸机”功能模块实现式（1）输出气压Pa的功能，式中时间常数τ分别由呼吸时的Ra×CL决定；设计“自主呼吸”功能模块实现式（2）输出Pmus；设计“漏气”功能模块实现式（4）输出Qleak的功能；运用电阻和电容构建呼吸电学模型，使整个系统在Pa和Pmus的作用下，实现式（5）的功能。
图2
无创Bi-PAP通气仿真平台
Figure2.
The simulation platform of noninvasive Bi-PAP ventilation system
进行通气仿真实验时，“呼吸机”参数主要有：IPAP、EPAP、通气频率BPM（breath per minute）、吸呼时间比IE（inspiration∶expiration）、吸气触发流量阀值Isense、呼气触发流量阀值Esense；“自主呼吸”参数主要有：气阻Ra的值（吸气气阻、呼气气阻）、肺顺应性CL、自主呼吸用力产生的最大压力值Pmmax、呼吸频率bpm（breath per minute）、自主吸气压上升时间Tpmriese和气压释放时间Tpmrelease。编译运行，通过示波器观测输出流量、潮气量、压力等数据和波形。呼吸管路和面罩模拟标准呼吸管路（φ22 mm×L180 cm）和口鼻面罩（BestFit-2M，苏州凯迪泰）。呼吸管路和面罩经实验测定，获得式（4）中的系数m = 0.6325和n = 0.6555。
3 实验与对比分析
为了验证基于Matlab的无创Bi-PAP通气治疗系统模型正确性，如图3所示，建立基于ASL5000模拟肺（IngMar Medical，美国）和无创呼吸机T600（湖南明康中锦医疗）的实验平台。呼吸机输出气流经标准呼吸管路（φ22 mm × L180 cm）传至固定在头模（男性成人比例头模，深圳万世宫）口鼻处的面罩（BestFit-2M，苏州凯迪泰）内，再经头模由呼吸管路（φ22 mm × L70 cm）传至ASL5000。ASL5000测算的气道压力Pa、呼吸气流Qa、肺内压Plung、胸内压Pmus、潮气量Vt等数据经USB接口上传至电脑。呼吸机端测算的通气气流Qm、漏气流Qleak和漏气量Vleak等数据经RS232接口上传至电脑。
图3
基于ASL5000的通气实验平台连接示意图
Figure3.
Connection diagram of experimental platform based on ASL5000
在基于仿真实验平台和物理实验平台的实验中，均设定无自主呼吸（no spontaneous breathing，NSB）患者、COPD患者和ARDS患者作为通气对象。具体参数如表1和表2所示[20, 23-24]。其中，NSB患者因没有自主呼吸，无需考虑吸气触发和呼气触发呼吸机输出、自主呼吸频率、呼吸肌用力等，呼吸机设置在时间控制模式（T模式）下工作；COPD患者和ARDS患者则因其有自主呼吸而无需考虑呼吸机输出的通气频率（由患者自主呼吸确定）和吸呼比，呼吸机设置在自主触发模式（S模式）下工作。
表1
呼吸机参数设置
Table1.
Parameter setting in simulated respirator
表2
患者呼吸力学参数设置
Table2.
Parameter setting in simulated patients
仿真和物理实验均输出呼吸气流Qa（> 0表示吸入， < 0表示呼出）、通气压力Pa、肺内压Plung、胸内压Pmus、潮气量Vt、漏气流Qleak和漏气量Vleak等数据（时长10 s）。图4分别展示了NSB、COPD和ARDS患者的仿真实验数据曲线和物理实验数据曲线，以及仿真和物理实验所采集的数据导入excel处理后得到的漏气流Qleak和漏气量Vleak数据曲线（时长5 s）。
图4
仿真和物理通气实验输出
Figure4.
The results in simulated and physical ventilation experiments
将仿真实验所得和对应物理实验所得数据导入IBM SPSS Statics 19（IBM，美国）数据编辑器，设定置信区间CI=95%，采用比较平均值配对双样本t检验法，统计分析呼吸气流（Qa）、漏气流（Qleak）、气道压（Pa）、肺内压（Plung）、潮气量（Vt）和漏气量（Vleak），得到如表3所示结果。分析结果表明，仿真实验所得数据和对应物理实验所得数据未见明显差异（P > 0.1），两者具有良好的一致性（相关系数R > 0.7）。
表3
仿真和物理通气实验输出的数据对比分析结果
Table3.
The analyzed results of the data between simulated and physical experiments
4 讨论
在无创Bi-PAP通气时，医务人员比较关注的通气参数主要有潮气量和漏气量、通气压和呼气末正压（positive end expiration pressure，PEEP）。充足的潮气量是人体正常呼吸的前提之一。而成人潮气量正常范围在8～10 mL∙kg−1（或400～800 mL）。充足的漏气量是通气治疗过程中避免CO2潴留发生的重要保障[25]。特别是在呼气阶段，漏气量等于呼吸机输出的通气量与人体呼出的潮气量之和。当漏气量小于呼出潮气量时，很容易导致人体呼出的CO2等废气不能完全排放而残留在呼吸管路内再次被人体吸入。因此，本文所建立通气治疗系统的输出参数中给出漏气流和漏气量，有利于在观测、判断通气状况时，通过比较漏气量来考虑是否存在CO2潴留。从图4所给出的数据来看，仿真通气均可满足通气的需求，且呼气时漏气量均大于潮气量，表明CO2等废气能充分排出呼吸管路。
呼吸系统疾病是威胁人类身体健康与生命安全最严重的疾病之一，目前除了药物治疗外，最常用的措施就是采用呼吸机进行通气治疗。其中无创通气是目前诸多通气方式中的一种，采用单管通气（只用一根呼吸管路），从肺部呼出的气体直接通过面罩的漏气孔排出，相较于有创通气而言，操作简单方便，得到广泛应用。特别是SARS、COVID-19等传染性呼吸道疾病发生后，人们更加意识到无创呼吸机的重要性[26]。但是在通气过程中，过高的通气压和通气量容易导致肺气压伤，形成张力性气胸、纵隔气肿、肺间质气肿等病症，而过低的通气压和通气量又常常导致通气不足，引起憋气等现象[27]。本文设计了无创Bi-PAP通气装备和通气对象等模型，并基于这些模型建立了无创Bi-PAP通气治疗系统模型。这样有利于医务人员掌握无创Bi-PAP通气设备及患者通气条件和参数，模拟呼吸疾病病患者的呼吸进行通气仿真实验，通过观测潮气量、肺内压等参数预先了解相关通气参数，从而减小患者呼吸道发生损伤的可能。
虽然诸如Extended RIC模型、Augmented RIC模型等呼吸道模型[11- 13]先后被提出，但是对于广大医务人员而言，最关注的是呼吸道的粘性气阻R和肺顺应性C，而通常不考虑气流在气道的惯性力。气流在气道内的惯性力与空气密度和气道长度成正比，与气道内径平方成反比[21]，人体呼吸道内流动的气流所受到的惯性力一般不超过0.01 cm H2O∙s2∙L−1，因此，本文所采用呼吸道模型也忽略了气流在呼吸道内的惯性力，以降低模型的复杂度，提高仿真过程中的计算效率。
5 结论
以无创Bi-PAP呼吸机和呼吸疾病患者为研究对象，本文介绍了所设计的无创双水平正压通气系统模型。基于所建仿真通气系统模型和物理实验平台，模拟了无创Bi-PAP通气应用于常见的NSB患者、COPD患者和ARDS患者的通气治疗。通过比较分析基于Matlab的仿真通气实验和基于ASL5000主动模拟肺的通气实验所得数据表明：两种实验方式所得气道压、肺内压、呼吸气流、潮气量等各项数据曲线具有良好的一致性，数据之间的相关性较强（R > 0.7），未见明显差异（P > 0.1）。该结果验证了无创Bi-PAP通气系统模型具有良好的可行性和适应性。无创Bi-PAP通气系统模型的建立，将有利于临床医师对通气状况的虚拟研究和观察，在一定程度上避免或降低了实践通气过程中的风险。在接下来的研究中，为了进一步验证模型的有效性，将针对具体呼吸疾病患者的临床数据，展开更多的分析和研究。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明没有利益冲突。
作者贡献声明：袁越阳建立数学模型并撰写全文，周理设计基于Matlab的仿真，黄皓轩和刘炜搭建物理实验平台，胡兴硕和解立新提供和核实呼吸机设置参数及呼吸病患者的呼吸力学数据。
0 引言
呼吸系统疾病是威胁人们身体健康和生命安全最为严重的疾病之一。仅慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD），全球每年就有超过300万人因其而死亡，占全球总死亡数的6%以上[1]。常见的呼吸疾病主要有呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）、COPD、呼吸衰竭等[2-4]。针对此类疾病的治疗，患者通常需辅以呼吸机通气。自无创呼吸机能够方便患者居家治疗后，人们日益关注其通气方法及方式的研究[5-6]。特别是在非典型肺炎（severe acute respiratory syndrome，SARS）、新型冠状病毒肺炎（corona virus disease 2019，COVID-19）等传染性呼吸疾病暴发期间，无创呼吸机在治疗患者、抗击疫情方面发挥了重要的作用[7-8]，其应用备受患者和医务人员的关注。目前，无创双水平气道正压（bi-level positive airway pressure，Bi-PAP）通气是应用最为广泛和最有效的通气治疗模式之一[9]。
为了避免或减少通气临床试验所存在的风险，鉴于虚拟仿真的灵活性、安全性等因素，目前研究者们更倾向于虚拟仿真环境下建立呼吸模型来进行仿真实验。如文献[10-15]基于电路学建立呼吸模型开展了对呼吸道内气流气压分布的研究。最早建立的呼吸道RC模型[11]，用电路学电阻符号R和电容C来表示呼吸道的黏性气阻和肺顺应性。随后在RC模型的基础上先后分别提出了诸如Extended RIC（Resistance，Inertance，Compliance）模型、Augmented RIC模型等[12-14]。但是，针对包括通气装置和通气对象（患者呼吸道）在内的通气治疗系统模型鲜见报道。无创Bi-PAP呼吸机因其体积小巧、操作简便、临床风险相对较小，已广泛应用于一般病房和在家治疗的呼吸病患者。为此，本文基于Matlab（美国MathWorks公司，R2016a）的Simulink仿真环境，建立无创Bi-PAP通气治疗系统数学模型，开展仿真通气实验，为进一步研究和探索无创Bi-PAP通气提供条件。
1 建立系统模型
如图1a所示，无创Bi-PAP通气治疗系统主要由无创Bi-PAP呼吸机、湿化器、通气管路、面罩、压力采样管以及呼吸疾病患者组成。呼吸机按照人体呼吸规律交替输出吸气支持压（inspiration positive airway pressure，IPAP）和呼气支持压（expiration positive airway pressure，EPAP），并通过呼吸管路及面罩将IPAP和EPAP送至呼吸病患者的呼吸道，保障呼吸道的畅通，使呼吸气流进、出于肺部，实现肺与外部气体之间的交换。
图1
Bi-PAP通气治疗系统示意图及电学呼吸模型
a. 通气治疗系统连接示意图；b. 电学呼吸模型
Figure1. The diagram of therapy system of Bi-PAP ventilation and its electric respiration modela. therapy system of Bi-PAP ventilation; b. electric respiration model
气流在进入和排出肺部的过程中，需要克服气道对气流的黏性阻力和肺顺应性（或弹性力的倒数顺应性）。根据流体在通道中流动的力学原理和电声学原理，自20世纪70年代开始，Horsfifield等、Lutchen等学者先后建立了人体呼吸道电学模型[10-15]。如图1b所示，将气道黏性阻力Ra、肺顺应性CL、呼吸机输出的通气压Pa和人体自主呼吸时呼吸肌做功产生的胸内压Pmus、通气气流Qm和呼吸气流Qa、面罩端的漏气气流Qleak、大气及呼吸管路等分别比拟为电路学中的电阻、电容、电压源、电流、压控电流源、电源地及导线，建立了无创Bi-PAP通气治疗系统电学模型。
如图1b和式(1)所示：Bi-PAP输出通气压Pa分为两个阶段，即吸气阶段呼吸机输出IPAP和呼气阶段呼吸机输出EPAP[16-17]。在吸气阶段（0 < t < TI），呼吸机输出通气气压Pa从设定的EPAP呈指数上升到IPAP。在呼气阶段（TI < t ≤ T），呼吸机输出通气气压Pa从设定的IPAP呈指数下降到EPAP。式中τ为表示上升和下降快慢的时间常数。
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人体呼吸肌做功输出胸内压的数学模型如式(2)所示[18-20]，式中Pmus_max为最大负压值。吸气时（0 < t < TI）包括呼吸肌收缩（0 < t ≤ Tpmrise）和恢复（Tpmrelease < t ≤ TI）过程，此时胸腔扩大，生成胸内负压Pmus，气流Qa被吸入肺部；呼气时（TI < t ≤ T），也即呼吸肌处于放松状态，胸腔在外界大气的作用下被还原，气流Qa被呼出肺部。
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呼吸机输出的气流Qm如式(3)所示，一部分经呼吸管路和面罩进入呼吸道形成呼吸气流Qa，另一部分从面罩漏气孔作为漏气流Qleak排入大气。
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漏气流Qleak的存在是防止二氧化碳潴留的必要条件，如式（4）所示，其大小与压力Pa呈指数函数关系，式中待定系数m、n对于不同型号的面罩会有不同的值，可以通过实验标定获得。
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根据流体沿程损失分布和电路学基尔霍夫定律（Kirchhoff laws），呼吸机输出通气压Pa、呼吸气流Qa及呼吸道黏性气阻Ra、肺顺应性CL以及呼吸肌做功产生的胸内压Pmus的数学关系如式（5）所示[21-22]。
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2 通气仿真实验平台
图2所示为在Matlab的Simulink环境下建立的无创Bi-PAP通气仿真实验平台。在平台中，运用函数（function，Fcn）功能，设计“呼吸机”功能模块实现式（1）输出气压Pa的功能，式中时间常数τ分别由呼吸时的Ra×CL决定；设计“自主呼吸”功能模块实现式（2）输出Pmus；设计“漏气”功能模块实现式（4）输出Qleak的功能；运用电阻和电容构建呼吸电学模型，使整个系统在Pa和Pmus的作用下，实现式（5）的功能。
图2
无创Bi-PAP通气仿真平台
Figure2.
The simulation platform of noninvasive Bi-PAP ventilation system
进行通气仿真实验时，“呼吸机”参数主要有：IPAP、EPAP、通气频率BPM（breath per minute）、吸呼时间比IE（inspiration∶expiration）、吸气触发流量阀值Isense、呼气触发流量阀值Esense；“自主呼吸”参数主要有：气阻Ra的值（吸气气阻、呼气气阻）、肺顺应性CL、自主呼吸用力产生的最大压力值Pmmax、呼吸频率bpm（breath per minute）、自主吸气压上升时间Tpmriese和气压释放时间Tpmrelease。编译运行，通过示波器观测输出流量、潮气量、压力等数据和波形。呼吸管路和面罩模拟标准呼吸管路（φ22 mm×L180 cm）和口鼻面罩（BestFit-2M，苏州凯迪泰）。呼吸管路和面罩经实验测定，获得式（4）中的系数m = 0.6325和n = 0.6555。
3 实验与对比分析
为了验证基于Matlab的无创Bi-PAP通气治疗系统模型正确性，如图3所示，建立基于ASL5000模拟肺（IngMar Medical，美国）和无创呼吸机T600（湖南明康中锦医疗）的实验平台。呼吸机输出气流经标准呼吸管路（φ22 mm × L180 cm）传至固定在头模（男性成人比例头模，深圳万世宫）口鼻处的面罩（BestFit-2M，苏州凯迪泰）内，再经头模由呼吸管路（φ22 mm × L70 cm）传至ASL5000。ASL5000测算的气道压力Pa、呼吸气流Qa、肺内压Plung、胸内压Pmus、潮气量Vt等数据经USB接口上传至电脑。呼吸机端测算的通气气流Qm、漏气流Qleak和漏气量Vleak等数据经RS232接口上传至电脑。
图3
基于ASL5000的通气实验平台连接示意图
Figure3.
Connection diagram of experimental platform based on ASL5000
在基于仿真实验平台和物理实验平台的实验中，均设定无自主呼吸（no spontaneous breathing，NSB）患者、COPD患者和ARDS患者作为通气对象。具体参数如表1和表2所示[20, 23-24]。其中，NSB患者因没有自主呼吸，无需考虑吸气触发和呼气触发呼吸机输出、自主呼吸频率、呼吸肌用力等，呼吸机设置在时间控制模式（T模式）下工作；COPD患者和ARDS患者则因其有自主呼吸而无需考虑呼吸机输出的通气频率（由患者自主呼吸确定）和吸呼比，呼吸机设置在自主触发模式（S模式）下工作。
表1
呼吸机参数设置
Table1.
Parameter setting in simulated respirator
表2
患者呼吸力学参数设置
Table2.
Parameter setting in simulated patients
仿真和物理实验均输出呼吸气流Qa（> 0表示吸入， < 0表示呼出）、通气压力Pa、肺内压Plung、胸内压Pmus、潮气量Vt、漏气流Qleak和漏气量Vleak等数据（时长10 s）。图4分别展示了NSB、COPD和ARDS患者的仿真实验数据曲线和物理实验数据曲线，以及仿真和物理实验所采集的数据导入excel处理后得到的漏气流Qleak和漏气量Vleak数据曲线（时长5 s）。
图4
仿真和物理通气实验输出
Figure4.
The results in simulated and physical ventilation experiments
将仿真实验所得和对应物理实验所得数据导入IBM SPSS Statics 19（IBM，美国）数据编辑器，设定置信区间CI=95%，采用比较平均值配对双样本t检验法，统计分析呼吸气流（Qa）、漏气流（Qleak）、气道压（Pa）、肺内压（Plung）、潮气量（Vt）和漏气量（Vleak），得到如表3所示结果。分析结果表明，仿真实验所得数据和对应物理实验所得数据未见明显差异（P > 0.1），两者具有良好的一致性（相关系数R > 0.7）。
表3
仿真和物理通气实验输出的数据对比分析结果
Table3.
The analyzed results of the data between simulated and physical experiments
4 讨论
在无创Bi-PAP通气时，医务人员比较关注的通气参数主要有潮气量和漏气量、通气压和呼气末正压（positive end expiration pressure，PEEP）。充足的潮气量是人体正常呼吸的前提之一。而成人潮气量正常范围在8～10 mL∙kg−1（或400～800 mL）。充足的漏气量是通气治疗过程中避免CO2潴留发生的重要保障[25]。特别是在呼气阶段，漏气量等于呼吸机输出的通气量与人体呼出的潮气量之和。当漏气量小于呼出潮气量时，很容易导致人体呼出的CO2等废气不能完全排放而残留在呼吸管路内再次被人体吸入。因此，本文所建立通气治疗系统的输出参数中给出漏气流和漏气量，有利于在观测、判断通气状况时，通过比较漏气量来考虑是否存在CO2潴留。从图4所给出的数据来看，仿真通气均可满足通气的需求，且呼气时漏气量均大于潮气量，表明CO2等废气能充分排出呼吸管路。
呼吸系统疾病是威胁人类身体健康与生命安全最严重的疾病之一，目前除了药物治疗外，最常用的措施就是采用呼吸机进行通气治疗。其中无创通气是目前诸多通气方式中的一种，采用单管通气（只用一根呼吸管路），从肺部呼出的气体直接通过面罩的漏气孔排出，相较于有创通气而言，操作简单方便，得到广泛应用。特别是SARS、COVID-19等传染性呼吸道疾病发生后，人们更加意识到无创呼吸机的重要性[26]。但是在通气过程中，过高的通气压和通气量容易导致肺气压伤，形成张力性气胸、纵隔气肿、肺间质气肿等病症，而过低的通气压和通气量又常常导致通气不足，引起憋气等现象[27]。本文设计了无创Bi-PAP通气装备和通气对象等模型，并基于这些模型建立了无创Bi-PAP通气治疗系统模型。这样有利于医务人员掌握无创Bi-PAP通气设备及患者通气条件和参数，模拟呼吸疾病病患者的呼吸进行通气仿真实验，通过观测潮气量、肺内压等参数预先了解相关通气参数，从而减小患者呼吸道发生损伤的可能。
虽然诸如Extended RIC模型、Augmented RIC模型等呼吸道模型[11- 13]先后被提出，但是对于广大医务人员而言，最关注的是呼吸道的粘性气阻R和肺顺应性C，而通常不考虑气流在气道的惯性力。气流在气道内的惯性力与空气密度和气道长度成正比，与气道内径平方成反比[21]，人体呼吸道内流动的气流所受到的惯性力一般不超过0.01 cm H2O∙s2∙L−1，因此，本文所采用呼吸道模型也忽略了气流在呼吸道内的惯性力，以降低模型的复杂度，提高仿真过程中的计算效率。
5 结论
以无创Bi-PAP呼吸机和呼吸疾病患者为研究对象，本文介绍了所设计的无创双水平正压通气系统模型。基于所建仿真通气系统模型和物理实验平台，模拟了无创Bi-PAP通气应用于常见的NSB患者、COPD患者和ARDS患者的通气治疗。通过比较分析基于Matlab的仿真通气实验和基于ASL5000主动模拟肺的通气实验所得数据表明：两种实验方式所得气道压、肺内压、呼吸气流、潮气量等各项数据曲线具有良好的一致性，数据之间的相关性较强（R > 0.7），未见明显差异（P > 0.1）。该结果验证了无创Bi-PAP通气系统模型具有良好的可行性和适应性。无创Bi-PAP通气系统模型的建立，将有利于临床医师对通气状况的虚拟研究和观察，在一定程度上避免或降低了实践通气过程中的风险。在接下来的研究中，为了进一步验证模型的有效性，将针对具体呼吸疾病患者的临床数据，展开更多的分析和研究。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明没有利益冲突。
作者贡献声明：袁越阳建立数学模型并撰写全文，周理设计基于Matlab的仿真，黄皓轩和刘炜搭建物理实验平台，胡兴硕和解立新提供和核实呼吸机设置参数及呼吸病患者的呼吸力学数据。
