当患者无法独立呼吸时，机械呼吸机通过气管插管将富氧空气输送到患者的肺部。肺是敏感而复杂的器官，因此在无法忍受的压力和体积范围内提供空气，根据每分钟所需的呼吸次数计时，并适当加湿和加热。机械呼吸机的精确建模对于其安全有效的运行至关重要。错误会导致通风不足和对患者造成伤害。

挑战包括模拟气流动力学、压力设置以及呼吸机与患者之间的复杂交互。应对这些挑战需要先进的仿真工具以及工程和生理学方面的专业知识。

Flownex：用于医疗系统的强大仿真工具

Flownex 是一款功能强大的仿真软件，用于模拟复杂的流体和热系统，利用质量、动量和能量守恒原理。它广泛用于 HVAC 优化、控制系统设计和工业流程，使其成为机械呼吸机的理想选择。该软件具有广泛的组件库和直观的界面，使工程师无需广泛的编程技能即可开发详细的模型。Flownex 的先进算法可以准确预测系统行为，确保呼吸机安全高效地运行。

此外，Flownex 还有助于创建涉及流体动力学和热管理的医疗系统，并配备了用于模拟肺部成分的专用工具。其全面的控制库和可视化功能有助于开发人机界面 （HMI），提高产品设计效率，并加快上市时间。在呼吸机的设计和控制中，优先考虑患者安全至关重要。Flownex 进行广泛的测试，以便及早发现潜在问题并建立安全协议。它还微调呼吸机设置，通过平衡氧气和二氧化碳水平、缓解不适和降低肺损伤风险来改善患者的预后。

在 Flownex 中建模和控制机械呼吸机

Flownex 具有与 Flownex 流量网络无缝集成的复杂控制库，使用户能够使用内置的可视化工具轻松可视化控制系统结果。

要开始在 Flownex 中对机械呼吸机进行建模，必须定义系统的组件，包括空气供应、控制阀、传感器和患者接口。Flownex 的图形界面有助于这些组件的布置和连接。机械呼吸机的初步设计以及流网、控制模型和用户界面的集成，以便与控制装置和流网交互，如下所示。

1- 机械呼吸机的流动模型

在呼吸系统中，空气必须以精确的时间和特定的体积限制输送。呼吸机可以看作是一个气动系统，如上面的流网所示。Flownex 提供预定义组件库，简化了必要部件的选择和配置。呼吸机的流网包括两个氧气和空气罐、两个控制氧气流量的阀门、一个模拟肺部的可变容积以及两个用于吸气和呼气的控制阀。下表详细介绍了用于模拟机械呼吸机中呼吸系统的 Flownex 流量组件。

在吸入过程中，空气从气瓶流向可变体积。在呼气过程中，空气从可变体积通过呼气阀并排出到大气中。

2- 控制系统

控制系统调节吸气阀和呼气阀。 当肺吸气时，空气从气瓶流入可变容积。 当肺呼气时，空气从可变容积通过呼气阀排出并释放到大气中。Flownex 控制器提供了一个全面的控制组件库，包括模拟元件（如 PID 元件）和数字元件，如逻辑门（AND、OR 等）、开关和定时器。PID 是比例-积分-微分控制，开关用于比较不同的输入，计数器用于增加值。

在 Flownex 中，我们可以实施各种控制模式，以建立呼吸机的常用设置。这些控制模式基于呼吸机正确运行所需的关键参数。在 Flownex 中实施机械呼吸机控制系统所需的参数是：

• 每分钟呼吸次数 （BPM）
• PEEP（呼气末正压）是指呼气结束时的肺压。这是一个关键参数，因为如果 PEEP 太低，会导致肺泡塌陷，从而导致炎症和各种医疗并发症。此外，Pmax 表示吸气后肺部的最大压力。
• TLC 是总肺活量

• Vt 是肺的潮气量，代表呼吸之间的体积差。

• 容量控制是在间歇指令通气 （IMV） 中执行的一种特定模拟模式，允许患者在周期之间独立呼吸。这种混合模式允许患者自行呼吸，如果患者没有在设定的时间内开始呼吸，呼吸机会自动辅助。  

这些参数在肺组件中定义和使用，肺组件是 Flownex 流动模型中的复合组件（上图）。使用这些参数，我们可以导出流网的一些重要属性：肺状态、当前压力等。

要在 Flownex 中实施控制策略，设计工程师必须提出两个 what/how 问题：

我们使用控制组件和上述方法论构建了两个控制模型来实现上述控制模式：

• 每分钟呼吸次数 （BPM） 和 PEEP，用于控制呼气阀的打开和关闭。

  这些表格概述了步骤，并指定了设计控制模型所需的 Flownex 组件。

例如，PID 控制用于根据所需值和实际值之间的差异不断调整呼吸机的设置，从而保持精确的压力和流量。

• 流量控制，用于控制吸气阀

Flownex 还允许集成控制策略。使用其控制模块实现反馈回路并根据实时数据动态调整参数。此步骤对于确保呼吸机正确响应患者需求的变化至关重要。

3- 用户界面

Flownex 提供可视化工具，如滑动/跟踪条、各种按钮以及图表，以监控和验证控制系统的正常工作。人机界面 （HMI） 可以在 Flownex 内部开发，并与呼吸机的控制流模型集成。

加热和加湿空气

我们还需要控制空气温度和湿度，以免进一步损害敏感的肺组织。Flownex 包含一个潮湿的气流模型，使我们能够进行相关计算并利用心理测量图表来可视化该过程。

在为机械呼吸机设置 Flownex 模型的主要部件后，我们需要为每个组件输入必要的参数。这包括物理尺寸、材料特性和作条件。建立模型后，我们可以运行仿真来分析系统在各种条件下的性能。