模拟单呼吸机，双患者通气策略

COVID-19大流行导致呼吸机最初短缺，这促使我们的团队重新审视了大约15年前首次提出并发表的解决方案:使用一台呼吸机同时治疗多名患者。虽然大多数疫情最严重的地区现在有足够的呼吸机容量，但在服务不足的地区仍然存在共享呼吸机的潜在需求。

共享呼吸机的主要挑战是必须根据肺部生理状况不同的患者调整通气参数。当一个简单的t型分流器用一个呼吸机为两个病人供气时，病人的呼吸就会降低潮汐卷(在一次呼吸或呼吸机循环中进入患者肺部的空气量)对于患有下肺的患者来说显著减少呼吸合规(肺的扩张能力)。

我们的跨学科团队¹开发了一种机械呼吸机模型，可以支持两名肺顺应性不匹配的患者。金宝app该模型是在Simulink中开发的金宝app^®使用Simscape™模块，将呼吸流量映射到电路中，其中体积等于电荷，流速等于电流，压力等于电压，气流阻力等于电阻，顺应性等于电容(图1)。

利用该模型，我们验证了改进的分路器设计的可行性。我们表明，理论上可以通过在每个吸入途径中引入可变阻力和在每个呼气途径中引入单向阀来独立地操纵一个患者的潮气量。

虽然改良后的具有可变阻力和阀门的分流器设计显示出了希望，但还有其他临床问题，如潜在的交叉污染，尚未得到解决。为了帮助研究这些问题的研究人员开发改进的设计，我们将我们的Simulink模型提供给金宝app文件交换．

在MATLAB和Simulink中开发通风机模型金宝app

我们从开发MATLAB开始这个项目^®基于手工微分方程的简单通风机t型分流器设计模型。虽然这个数学模型得到了令人满意的结果，但修改起来很麻烦。向模型中添加元素涉及到推导额外的方程，然后在MATLAB代码中实现它们。

为了使模型更容易理解和修改，我们使用Simscape块在Simulink中重新实现了它。金宝app在Simuli金宝appnk模型中，由管道引起的摩擦和进入损失表示为电阻，肺风量表示为电容器，呼吸机的压力源表示为电压源，单向阀表示为二极管，开/关阀表示为开关。每个患者被表示为一个模块，其中一个电阻用于模拟上呼吸道阻力，一个电容用于模拟肺和胸壁的顺应性。电阻和电容参数值可根据不同的患者生理状况进行调整。为了验证该模型，我们进行了仿真，并将结果与MATLAB模型产生的结果进行了比较。

通过Simulink中的基本通风机模型，我们小组的成员可以更容易地试验金宝app设计思想。只需从Simscape库中拖放组件，就可以添加新元素。

由于大流行相关的关闭，我们进行了远程工作和协作，很快就提出了一种新设计:一种经过改进的分路器，包括两个可变电阻和两个二极管，用于独立控制输送到每个患者模块的电流(图2)。

使用和共享物理模型而不是代码的能力加快了开发的速度，因为在物理世界中的对象和模型的元素之间存在一对一的映射。在Simulink中工作的另一个优点是能够插入范围来查看随时间变金宝app化的信号(图3)。例如，为了查看肺和气管导管之间的压力差，我们可以在患者模块中的电阻和电容之间的节点上插入一个范围，并查看整个模拟过程中的压力变化。这些能力使我们能够在几周内从概念发展到可行的解决方案并完成论文。

控制系统开发

一旦我们发现我们可以通过改进的分流器设计来独立地调整每个患者的空气流量，我们就开始开发控制策略，为不同肺部顺应性的患者提供理想的潮汐流量。我们专注于那些能够以相对较小的额外成本实施的策略。例如，我们避免了需要昂贵的新传感器的方法，而支持低成本的改变，例如增加部分管道来增加阻力或简单地调整呼吸机的压力分布。

在项目的这一阶段，我们开发了一种MATLAB算法，用于估计在吸气-呼气周期中输送给每个患者的流量(图4)。该算法使用一系列流量测量来拟合等效阻力顺应性值，并确定每个患者的潮气量。

我们的研究表明，仅通过调整呼吸机压力和增加或删除部分管道，就可以为患者提供适合其特定生理的潮汐量。

正在进行的研究

我们目前正在使用3d打印单向阀开发我们设计的现实世界实现。这种设置将使我们能够验证我们在实验室中的模拟结果，并将作为进一步研究的原理证明。此外，我们正在探索模型中的几个改进领域。例如，目前的模型假设在吸气和呼气期间的阻力水平相同。我们正在更新模型，以捕捉不同程度的耐药性。

在我们模拟的设计用于治疗患者之前，还有其他临床问题需要解决。我们承认，其中一些问题将非常具有挑战性，需要进行详细的进一步研究，以开发创新的解决方案。金宝搏官方网站尽管如此，我们希望一个易于理解和修改的共享呼吸机模型的可用性将有助于加速这一领域的研究。

确认

我们感谢我们的同事在这个项目上的贡献:Edward Costar, Denis Doorly, Caroline H. Kennedy, Frances Tait和Steven Niederer。

¹我们的跨学科项目团队包括来自伦敦帝国理工学院、伦敦国王学院以及Guys ' and St Thomas ' NHS基金会信托的计算流体动力学、3D打印、重症监护、麻醉学和医学物理学领域的专家。