在臨床機械通氣過程中選擇合適通氣模式是一個難點。本文采用非線性多室肺模型并優化呼吸氣流模式得到呼吸氣周期的最小呼吸功、最小輔助吸入量、最小呼吸周期彈性勢能和氣流速率變化。使用sigmoidal函數對建立的非線性呼吸功能方程進行平滑處理后轉化成求解非線性邊界條件的兩點邊值問題, 最后使用梯度下降法求解。實驗結果表明肺容積和氣流速率經過優化后具體良好的敏感性和收斂速度。研究結果為開發多變量控制器機械通氣監護重癥患者提供理論基礎。
研究顆粒物在人體肺腺泡區的沉積規律對了解肺部疾病致病機制、促進肺部疾病的預防和治療都有重要意義。現行研究大多關注顆粒物在人體肺腺泡區的最終沉積率，而對其沉積動態過程鮮有涉及。本文建立了 G3～G7 共五個多肺泡模型，引入顆粒物沉積速度評價參數 1/4 沉積時間，通過數值模擬研究了模型級數和結構、顆粒物粒徑、呼吸模式等因素對 0.1～5 μm 粒徑范圍內顆粒物沉積規律的影響，歸納總結了不同粒徑顆粒物的沉積特點，為進一步了解人體肺腺泡區顆粒物的運動規律提供了新視角。結果表明：模型級數和結構是影響各粒徑顆粒物沉積的重要因素。0.1 μm 顆粒物沉積受布朗力主導，沉積率高，沉積速度快，沉積曲線呈對數型分布；5 μm 顆粒物沉積受重力主導，沉積率高，沉積較快，沉積曲線呈“S”型分布；0.3～1 μm 顆粒物沉積則受慣性沖擊影響較大，隨著呼吸模式的改變沉積規律變化明顯。本文的研究方法和結果能為進一步探究肺部疾病致病機制和肺部疾病的預防與治療提供理論依據和數據支持。
呼吸模式參數是指呼吸運動的特征模式參數，包括幅度、周期、胸腹貢獻度、協調性等。呼吸模式參數的量化分析對于研究呼吸系統的生理病理變化和指導肺康復訓練具有重要價值。本文給出了呼吸模式參數量化方法，包括潮氣量、呼吸率、吸氣時間、呼氣時間、吸氣時間分數、胸呼吸貢獻比、胸腹相位差、峰值吸氣氣流等。本文引入呼吸信號質量指數來解決長時間記錄的胸腹呼吸運動信號質量評價和量化分析問題，并提出了呼吸模式參數變異性的分析方法。在此基礎上，使用穿戴式心肺生理參數監測系統采集了 23 名慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者與 22 名肺功能正常者的 15 分鐘自主呼吸狀態下的胸腹呼吸運動信號，對呼吸模式參數及其變異性進行了量化分析。結果表明，COPD 患者和肺功能正常者在呼吸頻率、吸氣時間、呼氣時間、胸腹相位差、峰值吸氣氣流這五項參數上的差異有統計學意義，COPD 患者呼吸模式參數的變異性要大于肺功能正常者，部分患者出現明顯的胸腹不同步現象。基于穿戴式心肺生理參數監測系統的呼吸模式參數量化分析有望為呼吸系統疾病的診斷評估提供新的輔助決策支持信息，為心肺疾病患者健康狀態監測提供新的參數和指標。