单呼吸机双患者通气策略仿真

新冠疫情初期的呼吸机短缺促使我们的团队重新审视了大约 15 年前首次提出并公布的解决方案：使用一台呼吸机同时治疗多名患者。虽然大多数受疫情影响最严重的地区目前的呼吸机保有量充足，但在医疗条件欠缺的地区仍然存在共享呼吸机的潜在需求。

呼吸机共享面临的主要挑战在于，必须针对具有不同肺生理状况的患者调整通气参数。当一台呼吸机使用简单的 T 型分流器向两名患者供气时，呼吸顺应性（肺的扩张能力）较差的患者的潮气量（一次呼吸时或一个呼吸机循环中进入患者肺部的空气量）会显著减少。

我们的跨学科团队¹开发了个机械呼吸机模型，可以支持两名肺顺应性不一样的患者同时使用。该模型是在 Simulink^® 中用 Simscape™ 模块开发的。它将呼吸流量映射到一个电路。在该电路中，空气量相当于电荷，流速相当于电流，压力相当于电压，气流阻力相当于电阻，而顺应性相当于电容（图 1）。

利用该模型，我们证明了改进型分流器设计的可行性。我们在理论上证明了通过在每个吸气通路中引入可变电阻，并在每个呼气通路中引入单向阀，来独立控制患者的潮气量是可行的。

虽然采用可变电阻和阀门的改进型分流器设计有望成功，但其还存在其他需要解决的临床问题，例如潜在的交叉污染。为了帮助专注于这些问题的研究人员改进设计，我们在 File Exchange 上提供了该 Simulink 模型。

在 MATLAB 和 Simulink 中开发呼吸机模型

在工程开始时，我们先基于人工推导的微分方程开发了呼吸机简单 T 型分流器的设计的 MATLAB^® 模型。虽然这一数学模型的结果令人满意，但它修改起来很麻烦。向该模型添加元素还需要推导其他方程，然后用 MATLAB 代码实现它们。

为了使该模型更易于理解和修改，我们在 Simulink 中使用 Simscape 模块重新实现了它。在 Simulink 模型中，由管件引起的摩擦损失和进气损失表示为电阻器，肺空气量表示为电容器，呼吸机的压力源表示为电压源，单向阀表示为二极管，而打开/关闭的阀门表示为开关。而每位患者都表示为包含一个电阻器和一个电容器的模块：前者用于对上气道阻力建模，而后者用于对肺和胸壁的顺应性建模。电阻和电容参数值可根据患者的不同生理状况进行调整。为了验证该模型，我们运行了仿真，并将得到的结果与 MATLAB 模型产生的结果进行了比较。

在 Simulink 中创建了基本的呼吸机模型后，我们团队的成员尝试各种设计思路就简单得多了。他们只需从 Simscape 库中拖放组件即可添加新元素。

疫情导致的办公场所关停让我们只能远程办公和协作。但我们仍然迅速提出了一种使用改进型分流器的新设计。这种分流器包含两个可变电阻器和两个二极管，用于独立控制传输到每个患者模块的电流（图 2）。

能够使用和共享物理模型而非代码加快了开发的速度，因为现实世界中的对象与模型的元素之间存在着一一对应关系。使用 Simulink 还有一个优势，那就是能够插入示波器来查看信号随时间变化的情况（图 3）。例如，我们可以在患者模块中的电阻器和电容器之间的节点处插入示波器来查看肺部和气管内导管之间的压差，以便在整个仿真过程中观察压力变化情况。这些功能让我们在几周内从概念进展到可行的解决方案并完成了论文。

控制系统开发

改进型分流器设计被证明可以单独调节供给每位患者的气流后，我们紧接着就开始开发相应的控制策略，为具有不同肺顺应性的患者输送最适合他们的潮气流量。我们着重考虑了实施起来额外成本相对较少的策略。例如，我们避开了需要昂贵的新传感器的方法，而选择了低成本的改进，比如通过添加导管以增加阻力，或仅调节一下呼吸机的压力设置。

在工程的这一阶段，我们开发了一种 MATLAB 算法来估算在吸气-呼气循环期间供给每位患者的气流量（图 4）。该算法使用一系列流量测量结果来拟合阻力-顺应性的等效值，并确定每位患者的潮气量。

我们的研究表明，仅通过调节呼吸机压力和添加或移除几段导管为患者提供适合其特定生理状况的潮气量是可行的。

正在进行的研究

目前，我们正在使用 3D 打印的单向阀开发设计的物理实现。该实现既可以帮助我们在实验室中验证仿真结果，又可以作为进一步研究的原理验证。此外，我们还在探索模型几个可改进的方面。例如，当前模型假定吸气和呼气期间的阻力水平相同。我们将更新该模型以捕获不同的阻力水平。

在我们仿真的设计可用于治疗患者之前，还有其他临床问题有待解决。我们承认，其中一些问题将极具挑战性，需要进行详细的深入研究来开发创新的解决方案。但无论如何，我们希望我们提供的易于理解和修改的共享呼吸机模型可以帮助加速这一领域的研究。

致谢

我们衷心感谢以下同事对此工程所做的贡献：Edward Costar、Denis Doorly、Caroline H. Kennedy、Frances Tait 和 Steven Niederer。

¹ 我们的跨学科工程团队包括来自伦敦帝国学院、伦敦国王学院以及盖伊和圣托马斯国民保健信托基金会的计算流体动力学、3D 打印、重症监护、麻醉学以及医学物理方面的专家。