2024年4月16日发(作者：范姜举)
主动模拟肺的类型和应用研究
王海涛;阙呈立;张广;郑捷文;卢恒志;宋振兴
【摘 要】介绍了常见的主动模拟肺,从呼吸参数相似度的角度总结了其结构特点,分
析了不同模拟肺的优势和不足,并结合呼吸生理和病理条件下呼吸系统的力学特点,
指出了动态顺应性的模拟、逐次呼吸改变呼吸参数等是主动模拟肺的发展重点.
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2014(035)004
【总页数】3页(P106-108)
【关键词】主动模拟肺;呼吸力学;顺应性
【作 者】王海涛;阙呈立;张广;郑捷文;卢恒志;宋振兴
【作者单位】300161 天津,军事医学科学院卫生装备研究所;100034 北京,北京大
学第一医院;300161 天津,军事医学科学院卫生装备研究所;300161 天津,军事医学
科学院卫生装备研究所;300161 天津,军事医学科学院卫生装备研究所;300161 天
津,军事医学科学院卫生装备研究所
【正文语种】中 文
【中图分类】R318
0 引言
模拟肺是模拟呼吸系统的装置，一般是模拟其力学性质。模拟肺分为被动型和主动
型，前者无动力源，只能在和其连接的呼吸机（或者其他外力）作用下模拟某些呼
吸参数；后者有动力元件，可以自主地模拟多种呼吸状态。模拟肺尤其是主动模拟
肺，可以用于呼吸机等设备的研发、评价、操作教学等多个不同的领域[1]。在呼
吸生理的教学科研部门，模拟肺也是必不可少的实验平台。
被动模拟肺一般采用双夹板气囊结构[2]。气囊可以更换，以模拟不同的潮气量。
夹板的弹性可以调节，以模拟肺的顺应性。利用球阀模拟呼吸道阻力，可调节螺钉
模拟管道的漏气情况。这种模拟肺结构简单、成本低，但无法模拟患者的自主呼吸
状态，无法测试、评价呼吸机的同步性能。
由于呼吸机研发以及呼吸生理测量装置校准的需求，主动模拟肺应运而生，且各具
特色。本文综述了文献报道中多种模拟肺的结构原理，并从和呼吸生理形态参数相
似的角度总结了其特点，指出其进一步的发展重点。需要说明的是，市场上还有一
类称为呼吸机测试仪的产品[3]，与模拟肺无关，本文不作阐述。
1 主动模拟肺的类型
主动模拟肺的基本构成有2个部分，分别是执行部件和被动部件。被动部件在执
行部件的作用下，产生符合生理、病理特征的呼吸流量、压力信号。主动模拟肺有
多种实现形式，以下分别说明。
第一类主动模拟肺是气囊弹簧结构。其典型代表是美国Michigan仪器公司生产的
TTL型主动模拟肺，采用2个气囊模拟双肺，每个气囊上有加载弹簧（顺应性元
件），用于模拟双肺的顺应性，通过调节弹簧作用点的方式调节加载力，从而调节
气囊的顺应性。呼吸道阻力则通过更换具有不同阻力值的管道实现。模拟肺本身没
有执行部件，模拟主动呼吸时2个气囊用刚性杆件（文献中称为lifting bar）连接，
使用一台呼吸机（称为驱动呼吸机）连接其中的一个气囊，作为执行部件，另外一
个气囊则和待测试的呼吸机相连，整个测试系统如图1所示[4]。当然，驱动呼吸
机也可以用定制的流量发生器代替[5]。
图1 气囊弹簧型模拟肺的使用示意图
第二类主动模拟肺是箱-囊式结构，具有一定顺应性的气囊安装在刚性箱体的内部，
气囊容积小于箱体，二者之间有一定的空间，用来模拟胸膜腔，利用执行部件在胸
膜腔产生可以变化的负压，气囊在内外压差的作用下收缩或者扩展，以模拟主动呼
吸。执行部件可以是高压喷射气流或者是真空泵。利用高压喷射气流的一个模拟肺，
如图2所示[6]，箱体连接一个T形管，来自高压气源的高速气流喷射经过T形管，
在胸膜腔内部产生负压，从高压气源到T形管依次是减压阀、比例螺线阀。螺线
阀的通断由一个函数发生器控制，减压阀可以调节负压的大小，函数发生器可以模
拟多种呼吸模式。气囊的个数也可以是2个，如图2（b）所示[7]，上气囊代表肺，
下气囊代表膈肌，在设计模拟肺时具有更大的灵活性。若2个气囊并行连接，则
可以模拟双肺。执行部件也可用真空泵[8]。
刚性的箱体也可以用柔性的气囊代替，即大气囊套一个小气囊，执行部件一般用电
动机带动大气囊收缩和扩展产生压差的变化。
第三类模拟肺是活塞结构[9-11]，活塞和缸体（或者囊体）形成一个密闭空间，活
塞在执行部件的带动下移动，使密闭空间收缩或者扩张，产生流量和压力信号，如
图3所示[11]。呼吸道阻力应用一个自动控制的阻力阀门模拟，阻力值可以在线调
节。缸体一般是刚性的，囊体一般是柔性的，2种形式都有采用。
上述模拟肺的结构、执行部件各异，对呼吸系统的模拟效果各有不同，现从肺（以
及胸廓）的顺应性、气道阻力角度总结，见表1。
图2 箱-囊式主动模拟肺
图3 活塞式主动模拟肺
表1 各种模拟肺的性能比较行部件 被动部件 顺应性 气道阻力 呼吸模式 结构相似
度吸机或流量发生器气囊-弹簧气囊-弹簧本身具有顺应性，手动可调，但不可在线
调节更换不同阻力值的管道，但不可在线调节可以模拟自主呼吸和被动呼吸只能模
拟肺内的气压变化箱-囊型高压喷射装置或者真空泵箱-囊 箱-囊本身具有顺应性，
手动可调，但不可在线调节更换不同阻力值的管道，但不可在线调节可以模拟自主
呼吸和被动呼吸可以模拟胸膜腔负压，结构相似度高，可以模拟双肺可以模拟胸膜
腔负压，结构相似度高，可以模拟双肺活塞型电动机 双囊 双囊本身具有顺应性，
手动可调，但不可在线调节更换不同阻力值的管道，但不可在线调节可以模拟自主
呼吸和被动呼吸电动机-行星齿轮，电动机-连、杆，直线电动机缸体-活塞，囊体-
活塞缸体-活塞本身的顺应性为零，依靠活塞运动模拟顺应性自动控制，可以在线
调节模拟被动呼吸较困难只能模拟肺内的气压变化
对于用于呼吸机测试的主动模拟肺而言，应全面模拟各种呼吸状态。自主呼吸和无
呼吸交替出现的混合呼吸状态是测试呼吸机性能的理想方式，尤其是具备逐次呼吸
地改变呼吸状态的功能。前2种模拟肺的被动部件本身具有顺应性，合理设计其
结构，可以模拟肺的顺应性，在切断执行部件的动力后，可以模拟被动呼吸（即由
呼吸机提供全部的呼吸支持）。所以，前2种模拟肺具备逐次呼吸地改变呼吸状
态的条件，而活塞型模拟肺的被动部件的顺应性为零，或者其顺应性难以调节，模
拟被动呼吸困难。呼吸器官在病理条件下，其力学特性与正常值有显著差异，一个
突出表现是胸膜腔负压的变化和呼吸道气流的变化存在时间上的不一致。某些哮喘
急性发作的患者呼气阻力增加，呼气气流较小，呼气持续时间较长，以至于胸膜腔
负压开始增加，表明吸气开始，仍存在呼气气流。所以，能模拟胸膜腔负压的第二
类箱-囊式模拟肺具有更大的优势。呼吸道阻力值的在线调节已有研究[12]，被动
部件顺应性的在线调节是一个难点。在病理条件下，顺应性与多种因素有关，不是
一个定值。例如对于肺气肿患者，肺泡有“快肺泡”和“慢肺泡”之分，导致动态
顺应性随着呼吸频率的增加而降低[13]，对于此类顺应性的模拟是目前模拟肺的不
足。主动模拟肺设备应在以下方面进行改进。
（1）可以模拟自主呼吸、无呼吸等各种状态。特别强调，逐次呼吸改变模拟肺的
吸气阻力对呼吸机测试设备而言具有重要的作用。
（2）可以模拟肺的顺应性和气道阻力及其病理条件下的变化，在线调节顺应性和
阻力值优于手动调节方式。
（3）有完善的人机界面，便于操作者使用，尤其是准确测量多个呼吸参数并显示
和处理。
2 结论
虽然呼吸系统是一个分布参数系统，但集中参数的物理模型仍是以后一个时期的主
流方式，已有的模拟肺都是集中参数模型，分布式参数模型多应用在数值模拟中。
此外，当前的模拟肺都是力学模拟，对于肺泡血气界面上的气体交换的模拟还鲜有
研究，如能把二者结合起来，模拟肺将具有更大的使用价值。本文总结了3类主
动模拟肺的结构特点，并分析了其优劣，指出模拟肺的发展重点，对于模拟肺的选
型、研制具有一定的参考意义。
[参考文献]
【相关文献】
[1] 张从华，龚岚，宿红，等.精确控制的模拟肺装置用于肺功能测量校准的实验研究[J].四川大学学
报：工程科学版，2008，40（5）：185-189.
[2] 徐梁，罗哲.可调节模拟肺的设计[J].中国医疗器械杂志，2011，35（2）：108-109.
[3] 吕鹏，陈雅楠，曹德森.呼吸机测试仪的研制[J].北京生物医学工程，2006，25（1）：70-72.
[4] Aslanian P，Atrous S E L，Isabey D，et s of flow triggering on breathing effort
during partial ventilatory support[J].Am J Respir Crit Care Med，1998，157： 135-143.
[5] Fauroux B，Leroux K，Desmarais G，et mance of ventilators for non-invasive
positive-pressure ventilation in children[J].Eur Respir J，2008，31：1 300-1 307.
[6] Bunburaphong T，Imanaka H，Nishimura M，et mance characteristics of
bilevel pressure ventilators：A lung modes study[J].Chest，1997，111：1 050-1 060.
[7] Murata S，Yokoyama K，Sakamoto Y，et s of inspiratory rise time on
triggering work load during pressure-support ventilation：A lung model study[J].Respir
Care，2010，55：878-884.
[8] Highcock M P，Shneerson J M，Smith I onal differences in bilevel pressure
preset ventilators[J].Eur Respir J，2001，17：268-273.
[9] Samir M，Robert B，Hoogsteden H C，et er-controlled mechanical
simulation of the artificially ventilated human respiratory system[J].IEEE Trans on
Biomedical Engineering，2003，50（6）：731-743.
[10]Verbraak A F M，Rijnbeek P R，Beneken J E，et al.A new approach to mechanical
simulation of lung behavior：pressure-controlled and time-related piston
movement[J].Med Biol Eng Comput，2000，39（1）：82-89.
[11]张坤，徐新民，徐海琴，等.主动模拟肺的运动及控制部分仿真研究[J].医疗卫生装备，2011，
32（8）：1-3.
[12]Verbraak A F M，Holland W，Mulder B，et al.A computer controlled flow
resistance[J].Med Biol Eng Comput，1999，37：770-775.
[13]上海第一医学院.人体生理学[M].北京：人民卫生出版社，1978.
2024年4月16日发(作者：范姜举)
主动模拟肺的类型和应用研究
王海涛;阙呈立;张广;郑捷文;卢恒志;宋振兴
【摘 要】介绍了常见的主动模拟肺,从呼吸参数相似度的角度总结了其结构特点,分
析了不同模拟肺的优势和不足,并结合呼吸生理和病理条件下呼吸系统的力学特点,
指出了动态顺应性的模拟、逐次呼吸改变呼吸参数等是主动模拟肺的发展重点.
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2014(035)004
【总页数】3页(P106-108)
【关键词】主动模拟肺;呼吸力学;顺应性
【作 者】王海涛;阙呈立;张广;郑捷文;卢恒志;宋振兴
【作者单位】300161 天津,军事医学科学院卫生装备研究所;100034 北京,北京大
学第一医院;300161 天津,军事医学科学院卫生装备研究所;300161 天津,军事医学
科学院卫生装备研究所;300161 天津,军事医学科学院卫生装备研究所;300161 天
津,军事医学科学院卫生装备研究所
【正文语种】中 文
【中图分类】R318
0 引言
模拟肺是模拟呼吸系统的装置，一般是模拟其力学性质。模拟肺分为被动型和主动
型，前者无动力源，只能在和其连接的呼吸机（或者其他外力）作用下模拟某些呼
吸参数；后者有动力元件，可以自主地模拟多种呼吸状态。模拟肺尤其是主动模拟
肺，可以用于呼吸机等设备的研发、评价、操作教学等多个不同的领域[1]。在呼
吸生理的教学科研部门，模拟肺也是必不可少的实验平台。
被动模拟肺一般采用双夹板气囊结构[2]。气囊可以更换，以模拟不同的潮气量。
夹板的弹性可以调节，以模拟肺的顺应性。利用球阀模拟呼吸道阻力，可调节螺钉
模拟管道的漏气情况。这种模拟肺结构简单、成本低，但无法模拟患者的自主呼吸
状态，无法测试、评价呼吸机的同步性能。
由于呼吸机研发以及呼吸生理测量装置校准的需求，主动模拟肺应运而生，且各具
特色。本文综述了文献报道中多种模拟肺的结构原理，并从和呼吸生理形态参数相
似的角度总结了其特点，指出其进一步的发展重点。需要说明的是，市场上还有一
类称为呼吸机测试仪的产品[3]，与模拟肺无关，本文不作阐述。
1 主动模拟肺的类型
主动模拟肺的基本构成有2个部分，分别是执行部件和被动部件。被动部件在执
行部件的作用下，产生符合生理、病理特征的呼吸流量、压力信号。主动模拟肺有
多种实现形式，以下分别说明。
第一类主动模拟肺是气囊弹簧结构。其典型代表是美国Michigan仪器公司生产的
TTL型主动模拟肺，采用2个气囊模拟双肺，每个气囊上有加载弹簧（顺应性元
件），用于模拟双肺的顺应性，通过调节弹簧作用点的方式调节加载力，从而调节
气囊的顺应性。呼吸道阻力则通过更换具有不同阻力值的管道实现。模拟肺本身没
有执行部件，模拟主动呼吸时2个气囊用刚性杆件（文献中称为lifting bar）连接，
使用一台呼吸机（称为驱动呼吸机）连接其中的一个气囊，作为执行部件，另外一
个气囊则和待测试的呼吸机相连，整个测试系统如图1所示[4]。当然，驱动呼吸
机也可以用定制的流量发生器代替[5]。
图1 气囊弹簧型模拟肺的使用示意图
第二类主动模拟肺是箱-囊式结构，具有一定顺应性的气囊安装在刚性箱体的内部，
气囊容积小于箱体，二者之间有一定的空间，用来模拟胸膜腔，利用执行部件在胸
膜腔产生可以变化的负压，气囊在内外压差的作用下收缩或者扩展，以模拟主动呼
吸。执行部件可以是高压喷射气流或者是真空泵。利用高压喷射气流的一个模拟肺，
如图2所示[6]，箱体连接一个T形管，来自高压气源的高速气流喷射经过T形管，
在胸膜腔内部产生负压，从高压气源到T形管依次是减压阀、比例螺线阀。螺线
阀的通断由一个函数发生器控制，减压阀可以调节负压的大小，函数发生器可以模
拟多种呼吸模式。气囊的个数也可以是2个，如图2（b）所示[7]，上气囊代表肺，
下气囊代表膈肌，在设计模拟肺时具有更大的灵活性。若2个气囊并行连接，则
可以模拟双肺。执行部件也可用真空泵[8]。
刚性的箱体也可以用柔性的气囊代替，即大气囊套一个小气囊，执行部件一般用电
动机带动大气囊收缩和扩展产生压差的变化。
第三类模拟肺是活塞结构[9-11]，活塞和缸体（或者囊体）形成一个密闭空间，活
塞在执行部件的带动下移动，使密闭空间收缩或者扩张，产生流量和压力信号，如
图3所示[11]。呼吸道阻力应用一个自动控制的阻力阀门模拟，阻力值可以在线调
节。缸体一般是刚性的，囊体一般是柔性的，2种形式都有采用。
上述模拟肺的结构、执行部件各异，对呼吸系统的模拟效果各有不同，现从肺（以
及胸廓）的顺应性、气道阻力角度总结，见表1。
图2 箱-囊式主动模拟肺
图3 活塞式主动模拟肺
表1 各种模拟肺的性能比较行部件 被动部件 顺应性 气道阻力 呼吸模式 结构相似
度吸机或流量发生器气囊-弹簧气囊-弹簧本身具有顺应性，手动可调，但不可在线
调节更换不同阻力值的管道，但不可在线调节可以模拟自主呼吸和被动呼吸只能模
拟肺内的气压变化箱-囊型高压喷射装置或者真空泵箱-囊 箱-囊本身具有顺应性，
手动可调，但不可在线调节更换不同阻力值的管道，但不可在线调节可以模拟自主
呼吸和被动呼吸可以模拟胸膜腔负压，结构相似度高，可以模拟双肺可以模拟胸膜
腔负压，结构相似度高，可以模拟双肺活塞型电动机 双囊 双囊本身具有顺应性，
手动可调，但不可在线调节更换不同阻力值的管道，但不可在线调节可以模拟自主
呼吸和被动呼吸电动机-行星齿轮，电动机-连、杆，直线电动机缸体-活塞，囊体-
活塞缸体-活塞本身的顺应性为零，依靠活塞运动模拟顺应性自动控制，可以在线
调节模拟被动呼吸较困难只能模拟肺内的气压变化
对于用于呼吸机测试的主动模拟肺而言，应全面模拟各种呼吸状态。自主呼吸和无
呼吸交替出现的混合呼吸状态是测试呼吸机性能的理想方式，尤其是具备逐次呼吸
地改变呼吸状态的功能。前2种模拟肺的被动部件本身具有顺应性，合理设计其
结构，可以模拟肺的顺应性，在切断执行部件的动力后，可以模拟被动呼吸（即由
呼吸机提供全部的呼吸支持）。所以，前2种模拟肺具备逐次呼吸地改变呼吸状
态的条件，而活塞型模拟肺的被动部件的顺应性为零，或者其顺应性难以调节，模
拟被动呼吸困难。呼吸器官在病理条件下，其力学特性与正常值有显著差异，一个
突出表现是胸膜腔负压的变化和呼吸道气流的变化存在时间上的不一致。某些哮喘
急性发作的患者呼气阻力增加，呼气气流较小，呼气持续时间较长，以至于胸膜腔
负压开始增加，表明吸气开始，仍存在呼气气流。所以，能模拟胸膜腔负压的第二
类箱-囊式模拟肺具有更大的优势。呼吸道阻力值的在线调节已有研究[12]，被动
部件顺应性的在线调节是一个难点。在病理条件下，顺应性与多种因素有关，不是
一个定值。例如对于肺气肿患者，肺泡有“快肺泡”和“慢肺泡”之分，导致动态
顺应性随着呼吸频率的增加而降低[13]，对于此类顺应性的模拟是目前模拟肺的不
足。主动模拟肺设备应在以下方面进行改进。
（1）可以模拟自主呼吸、无呼吸等各种状态。特别强调，逐次呼吸改变模拟肺的
吸气阻力对呼吸机测试设备而言具有重要的作用。
（2）可以模拟肺的顺应性和气道阻力及其病理条件下的变化，在线调节顺应性和
阻力值优于手动调节方式。
（3）有完善的人机界面，便于操作者使用，尤其是准确测量多个呼吸参数并显示
和处理。
2 结论
虽然呼吸系统是一个分布参数系统，但集中参数的物理模型仍是以后一个时期的主
流方式，已有的模拟肺都是集中参数模型，分布式参数模型多应用在数值模拟中。
此外，当前的模拟肺都是力学模拟，对于肺泡血气界面上的气体交换的模拟还鲜有
研究，如能把二者结合起来，模拟肺将具有更大的使用价值。本文总结了3类主
动模拟肺的结构特点，并分析了其优劣，指出模拟肺的发展重点，对于模拟肺的选
型、研制具有一定的参考意义。
[参考文献]
【相关文献】
[1] 张从华，龚岚，宿红，等.精确控制的模拟肺装置用于肺功能测量校准的实验研究[J].四川大学学
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[5] Fauroux B，Leroux K，Desmarais G，et mance of ventilators for non-invasive
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[6] Bunburaphong T，Imanaka H，Nishimura M，et mance characteristics of
bilevel pressure ventilators：A lung modes study[J].Chest，1997，111：1 050-1 060.
[7] Murata S，Yokoyama K，Sakamoto Y，et s of inspiratory rise time on
triggering work load during pressure-support ventilation：A lung model study[J].Respir
Care，2010，55：878-884.
[8] Highcock M P，Shneerson J M，Smith I onal differences in bilevel pressure
preset ventilators[J].Eur Respir J，2001，17：268-273.
[9] Samir M，Robert B，Hoogsteden H C，et er-controlled mechanical
simulation of the artificially ventilated human respiratory system[J].IEEE Trans on
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[10]Verbraak A F M，Rijnbeek P R，Beneken J E，et al.A new approach to mechanical
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[11]张坤，徐新民，徐海琴，等.主动模拟肺的运动及控制部分仿真研究[J].医疗卫生装备，2011，
32（8）：1-3.
[12]Verbraak A F M，Holland W，Mulder B，et al.A computer controlled flow
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[13]上海第一医学院.人体生理学[M].北京：人民卫生出版社，1978.