冀 敏,蘇衛(wèi)鋒,李愛萍,潘鵬宇,黃 青,饒雙梅,樂永康

(復(fù)旦大學(xué) 物理系，上海 200433)

1 引 言

隨著醫(yī)學(xué)科技的飛速發(fā)展，醫(yī)學(xué)物理課程越來越受到醫(yī)學(xué)生的重視[1]. 作者根據(jù)復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)考察組訪問美國6所名校的考察報告中提到的教學(xué)理念[2]，對醫(yī)學(xué)生的醫(yī)學(xué)物理實驗進(jìn)行了教學(xué)改革，研制了與醫(yī)學(xué)結(jié)合緊密的實驗教學(xué)儀器. 肺呼吸物理是醫(yī)學(xué)物理課程中的重要教學(xué)內(nèi)容，而缺少肺呼吸物理實驗的現(xiàn)狀長期影響著學(xué)生對該教學(xué)內(nèi)容的理解及應(yīng)用，進(jìn)而使得后續(xù)的生理學(xué)乃至內(nèi)1科學(xué)中的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的臨床應(yīng)用及研究受到一定的影響. 為此，研制了肺呼吸物理教學(xué)實驗儀并設(shè)計測量了模型肺的V-p曲線及肺順應(yīng)性. 通過該實驗教學(xué)，學(xué)生可深入了解肺呼吸的物理機制，掌握反映肺彈性的物理參量，即肺順應(yīng)性的測量原理及方法，理解肺呼吸V-p曲線的物理意義，了解流動相似性原理應(yīng)用于模型實驗的方法.

2 實驗原理

2.1 基本概念

呼吸過程[3]：胸腔是一封閉系統(tǒng)，在呼吸肌(胸肌、膈肌、腹肌)彈性力作用下,肋骨外擴橫膈膜下降，因此胸腔體積增大，胸腔內(nèi)壓強減小，當(dāng)小于大氣壓時，新鮮空氣進(jìn)入肺泡，肺泡張大，完成吸氣過程. 在肺組織彈性恢復(fù)力的作用下，橫膈膜上升，胸腔的體積減小，胸腔內(nèi)壓強增大，當(dāng)壓強大于大氣壓時，肺泡內(nèi)的氣體排出，完成了呼氣過程.

流動相似性[4]：對于某些實際流體的流動，由于環(huán)境條件、測量方法和工具的局限性，實體上難以觀測, 用模型實驗探索復(fù)雜流動規(guī)律的方法已被應(yīng)用于航天、航空、氣象及生物等研究領(lǐng)域. 但實驗?zāi)Ｐ偷闹谱鞅仨氉袷亓鲃酉嗨菩栽瓌t，即流體的流動環(huán)境滿足力學(xué)相似、幾何形狀相似、雷諾數(shù)相似等,模型實驗的結(jié)果才能應(yīng)用于實際.

本實驗所使用的肺呼吸物理模型,在設(shè)計上參考了該研究領(lǐng)域所認(rèn)同的模擬方法[5],以能夠反映肺泡內(nèi)、外壓強差變化、肺泡內(nèi)氣體體積與胸腔內(nèi)壓強的關(guān)系即肺V-p曲線為目的,在氣體流動環(huán)境的幾個方面運用了力學(xué)相似和幾何相似原則，以保證模型實驗與真實肺在反映肺彈性特征上的等效性,以及由模型實驗結(jié)果推知真實規(guī)律的可靠性.

2.2 體積-壓強曲線

在呼吸過程中，肺泡內(nèi)氣體體積隨胸腔內(nèi)壓強的變化關(guān)系稱為肺呼吸體積-壓強曲線,即V-p曲線,如圖1所示[6]. 由圖1可以看出,吸氣時，肺泡內(nèi)氣體體積隨胸腔內(nèi)壓強減小而增大；呼氣時，肺泡內(nèi)氣體體積隨胸腔內(nèi)壓強的回升而減小. 肺的體積-壓強曲線的形狀在吸氣和呼氣時是不同的，即在給定壓強時，肺在呼氣時的肺泡內(nèi)體積總是大于吸氣時的體積,這種行為被稱為滯后現(xiàn)象. 滯后現(xiàn)象基于肺組織的黏彈性和肺泡內(nèi)表面活性物質(zhì)的表面張力的共同作用，前者大于后者. 肺組織是黏彈體，同時表現(xiàn)出彈性和黏性，呼氣時，肺組織的黏性(內(nèi)摩擦力)比吸氣時大,從而導(dǎo)致肺組織彈性恢復(fù)滯后. 另外，在吸氣和呼氣過程中, 肺泡內(nèi)的表面活性物質(zhì)的分布以及表面張力隨肺泡半徑變化，使得肺泡內(nèi)黏液的附加壓強(2α/r)也隨之變化[7]，呼氣時的附加壓強比吸氣時大,這也是導(dǎo)致呼氣時肺彈性恢復(fù)滯后的原因之一.

圖1 呼吸時肺的V-p曲線

呼吸時肺的V-p曲線的斜率稱為肺順應(yīng)性[6]，用C表示.

C=ΔV/Δp,

肺順應(yīng)性表達(dá)了肺的彈性特征. 平穩(wěn)呼吸時，人肺的順應(yīng)性在200 mL/cmH2O(1 cmH2O=98 Pa)[8]左右. 當(dāng)肺組織彈性或力學(xué)環(huán)境改變時，肺順應(yīng)性也會相應(yīng)改變. 肺氣腫、哮喘及肺纖維化病人的肺順應(yīng)性可能減小.

3 實驗儀器

FDJSL-A型肺呼吸物理實驗儀(復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實驗中心研制)由胸腔模擬系統(tǒng)、腹腔動力系統(tǒng)和體積壓強測量系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)方框圖見圖2，實驗儀器圖片見圖3.

胸腔模擬系統(tǒng)由胸腔體、等效肺泡、等效氣管、橫膈膜組成. 腹腔模擬系統(tǒng)由腹腔體和控制腹壓的活塞組成.

根據(jù)幾何相似的原則，模型各部分的幾何形狀和尺寸應(yīng)與實體相似且有一定比例關(guān)系. 因而，胸、腹腔體設(shè)計為圓筒狀(實體截面為兩軸相近的橢圓)，胸、腹腔兩長度比值(1∶1)及截面積比值(1∶1)與實體相近. 氣管設(shè)計分3級，即氣管、支氣管和小支氣管，為便于制作，把許多平行的小支氣管等效為1個管道[9]，等效小支氣管與等效肺泡相聯(lián)，為便于觀察肺泡變化，這里以5個等效肺泡模擬肺組織和肺泡，分別代表人肺中的5個肺葉(即左肺2葉，右肺3葉).

圖2 肺呼吸物理模型結(jié)構(gòu)

圖3 FDJSL-A型肺呼吸物理實驗儀

根據(jù)力學(xué)相似的原則，實驗?zāi)Ｐ偷牧黧w流動環(huán)境的受力分布應(yīng)與實體中的分布有合理的比例關(guān)系. 本實驗中，吸氣和呼氣都伴隨有氣體流動，氣管一側(cè)與氣管內(nèi)的受力與實體相當(dāng)，都是大氣壓；等效肺泡外即胸腔內(nèi)的壓強變化為-35 cmH2O～0，大于實體壓強變化；橫膈膜裝在胸、腹腔中間，腹腔壓強的變化引起橫膈膜升高或降低15 mm左右(這里的設(shè)計與平穩(wěn)呼吸的實體相近)，肺泡內(nèi)氣體體積的變化為0～150 mL(小于實體). 等效肺泡和橫膈膜分別選用具有較好黏彈性的氣球和橡皮膜. 需要說明的是，真實肺和肺泡的彈性非常好，3 cmH2O的壓強差就可以吸進(jìn)500 mL的空氣，目前還沒有與此相當(dāng)?shù)纳锊牧?，因此本實驗中肺及肺泡黏彈性的模擬是由黏彈性氣球以及胸腔內(nèi)壓強的主動調(diào)節(jié)來共同完成.

動力系統(tǒng)由活塞、曲軸、轉(zhuǎn)輪和手柄組成. 轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時，曲軸帶動活塞上下運動，從而調(diào)節(jié)腹腔中的壓強.

體積測量裝置由內(nèi)筒、外筒、通氣管組成. 通氣管沿外筒的軸向且穿過底部，內(nèi)筒上端封閉并倒扣于外筒中. 實驗時，將水注入筒內(nèi)，液面約為2/3筒高，然后將通氣管下端接硅膠管，硅膠管另一端接氣管. 當(dāng)胸腔壓強變化時，內(nèi)筒將升高或降低，根據(jù)內(nèi)筒的高度可算出呼吸過程中肺泡內(nèi)的氣體體積.

壓強測量裝置是1只U型玻璃管壓強計，其內(nèi)裝入適量的水，玻璃管一端通大氣，另一端經(jīng)硅膠管接胸腔. 當(dāng)胸腔壓強變化時，根據(jù)液面上升高度可測出壓強.

4 實驗方法

實驗前,在體積測量裝置的筒內(nèi)注入水，液面高度約為筒高2/3，并使內(nèi)、外筒液面高度相等. 在U型玻璃管壓強計中裝入適量的水，并清除水柱中氣泡.

把體積測量裝置中的通氣管下端通過硅膠管與氣管連接，U型玻璃管壓強計的一端經(jīng)硅膠管接胸腔，需避免漏氣.

用手柄轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪，活塞可上下運動，當(dāng)觀察到等效肺泡張大和縮小、U型玻璃管中液面降低或升高以及體積測量裝置的內(nèi)筒升高或降低的現(xiàn)象時，即可開始實驗測量.

為模擬平穩(wěn)呼吸，保證吸氣的起點和終點所測p/V值有較好的重復(fù)性，在腹腔外壁刻出與活塞移動范圍相應(yīng)的2條醒目界線，以及在最高和最低界線之間刻出數(shù)條等間隔標(biāo)志線. 實驗時，活塞在刻線位置短暫停留，以讀取胸腔內(nèi)壓強和等效肺泡內(nèi)的氣體體積.

首先測量正常呼吸情況下的p值和V值，再測量模擬胸腔內(nèi)高壓(肺氣腫)時的p值和V值.

5 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

正常呼吸情況下測量的實驗數(shù)據(jù)如表1～2所示. 胸腔內(nèi)高壓(肺氣腫)時測量的實驗數(shù)據(jù)如表3～4所示. 胸腔內(nèi)壓強用p表示，肺泡內(nèi)氣體體積用V表示.

表1 正常吸氣情況下體積-壓強數(shù)據(jù)(模型實驗)

表2 正常呼氣情況下體積-壓強數(shù)據(jù)(模型實驗)

表3 胸腔內(nèi)高壓吸氣情況下體積-壓強數(shù)據(jù)(模型實驗)

表4 胸腔內(nèi)高壓呼氣情況下體積-壓強數(shù)據(jù)(模型實驗)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)作圖，得到模型實驗條件下正常呼吸情況的V-p曲線(見圖4)，以及胸腔內(nèi)高壓呼吸情況下的V-p曲線(見圖5).

從圖4～5中的V-p曲線可以看出，吸氣時的V-p曲線與呼氣時的V-p曲線不重合，曲線形狀與實際肺V-p曲線相似，這說明采用較好黏彈性的氣球可以模擬肺的彈性滯后特征.

由圖4和圖5曲線中的吸氣起點和終點的坐標(biāo)，并根據(jù)C=ΔV/Δp求出模型實驗條件下正常呼吸情況時的肺順應(yīng)性為2.03 mL/cmH2O，胸腔內(nèi)高壓情況下的肺順應(yīng)性為1.25 mL/cmH2O，可見胸腔內(nèi)高壓時的肺順應(yīng)性低于正常呼吸情況下的肺順應(yīng)性，這與實際人肺的推理結(jié)果一致.

圖4 正常呼吸的V-p曲線

圖5 胸腔內(nèi)高壓呼吸的V-p曲線

6 討 論

FDJSL-A型肺呼吸物理實驗儀屬模型實驗裝置，利用該儀器測得的肺呼吸V-p曲線與實際肺曲線形狀相似，從曲線上可以看出模型肺有彈性滯后現(xiàn)象，測出的肺順應(yīng)性大小(2.03 mL/cmH2O)在儀器技術(shù)指標(biāo)范圍之內(nèi)；模擬胸腔內(nèi)高壓情況下所測V-p曲線也有彈性滯后效果，肺順應(yīng)性為1.25 mL/cmH2O，小于正常情況下的模擬值. 可以看出，以上2種不同條件下測得的V-p曲線都反映出模型肺的黏彈性特征存在；另外，模擬胸腔內(nèi)高壓時的肺順應(yīng)性小于模擬正常情況的肺順應(yīng)性，這與實際規(guī)律相符合. 以上分析說明，基于流動相似性原則的該教學(xué)實驗的設(shè)計與真實肺呼吸的物理過程有較好的等效性，可以用于教學(xué)實驗.

本實驗的誤差來源有以下3個方面:首先是各個連接處可能有少許漏氣，引起等效肺泡內(nèi)的體積測量數(shù)據(jù)偏小，從而導(dǎo)致測出的肺順應(yīng)性減?。黄浯问荱型管液面的不穩(wěn)定導(dǎo)致壓強讀數(shù)的誤差，但通過多次測量可減小誤差；另外導(dǎo)管中的空氣以及U型管中水的內(nèi)摩擦力引起的能量損失導(dǎo)致的體積和壓強測量的系統(tǒng)誤差.

漏氣問題可以通過改進(jìn)工藝來避免，U型管中水的內(nèi)摩擦力問題可采用更換其他類型的壓力計來解決. 用黏彈性特征明顯的材料模擬肺組織和肺泡，可使模型肺的彈性滯后效果更明顯.

7 結(jié)束語

人體是復(fù)雜的生命系統(tǒng)，生物軟組織模擬存在一定困難. 作為模擬生命體物理過程的教學(xué)實驗，在應(yīng)用相似性原理的基礎(chǔ)上，以突出某個物理過程和物理規(guī)律為主來進(jìn)行相似性設(shè)計，應(yīng)使得實驗數(shù)據(jù)與生物體實際滿足一定的相似比例，保證模型實驗與生物體實際的等效性. 以教學(xué)為目的的、反映肺呼吸物理規(guī)律的模型實驗我們是初步嘗試，有一些問題還需要進(jìn)一步探索.

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