1、引言
隨著醫學科技的飛速發展，醫學物理課程越來越受到醫學生的重視[1].作者根據復旦大學物理教學考察組訪問美國6所名校的考察報告中提到的教學理念[2],對醫學生的醫學物理實驗進行了教學改革，研制了與醫學結合緊密的實驗教學儀器。肺呼吸物理是醫學物理課程中的重要教學內容，而缺少肺呼吸物理實驗的現狀長期影響著學生對該教學內容的理解及應用，進而使得后續的生理學乃至內1科學中的相關教學內容的臨床應用及研究受到一定的影響。為此，研制了肺呼吸物理教學實驗儀并設計測量了模型肺的V-p曲線及肺順應性。通過該實驗教學，學生可深入了解肺呼吸的物理機制，掌握反映肺彈性的物理參量，即肺順應性的測量原理及方法，理解肺呼吸V-p曲線的物理意義，了解流動相似性原理應用于模型實驗的方法。
2、實驗原理
2.1基本概念
呼吸過程[3]:胸腔是一封閉系統，在呼吸?。ㄐ丶?、膈肌、腹?。椥粤ψ饔孟?，肋骨外擴橫膈膜下降，因此胸腔體積增大，胸腔內壓強減小，當小于大氣壓時，新鮮空氣進入肺泡，肺泡張大，完成吸氣過程。在肺組織彈性恢復力的作用下，橫膈膜上升，胸腔的體積減小，胸腔內壓強增大，當壓強大于大氣壓時，肺泡內的氣體排出，完成了呼氣過程。
流動相似性[4]:對于某些實際流體的流動，由于環境條件、測量方法和工具的局限性，實體上難以觀測，用模型實驗探索復雜流動規律的方法已被應用于航天、航空、氣象及生物等研究領域。但實驗模型的制作必須遵守流動相似性原則，即流體的流動環境滿足力學相似、幾何形狀相似、雷諾數相似等，模型實驗的結果才能應用于實際。
本實驗所使用的肺呼吸物理模型，在設計上參考了該研究領域所認同的模擬方法[5],以能夠反映肺泡內、外壓強差變化、肺泡內氣體體積與胸腔內壓強的關系即肺V-p曲線為目的，在氣體流動環境的幾個方面運用了力學相似和幾何相似原則，以保證模型實驗與真實肺在反映肺彈性特征上的等效性，以及由模型實驗結果推知真實規律的可靠性。
2.2體積-壓強曲線
在呼吸過程中，肺泡內氣體體積隨胸腔內壓強的變化關系稱為肺呼吸體積-壓強曲線，即V-p曲線，如圖1所示[6].由圖1可以看出，吸氣時，肺泡內氣體體積隨胸腔內壓強減小而增大；呼氣時，肺泡內氣體體積隨胸腔內壓強的回升而減小。肺的體積-壓強曲線的形狀在吸氣和呼氣時是不同的，即在給定壓強時，肺在呼氣時的肺泡內體積總是大于吸氣時的體積，這種行為被稱為滯后現象。滯后現象基于肺組織的黏彈性和肺泡內表面活性物質的表面張力的共同作用，前者大于后者。肺組織是黏彈體，同時表現出彈性和黏性，呼氣時，肺組織的黏性（內摩擦力）比吸氣時大，從而導致肺組織彈性恢復滯后。另外，在吸氣和呼氣過程中，肺泡內的表面活性物質的分布以及表面張力隨肺泡半徑變化，使得肺泡內黏液的附加壓強（2α/r）也隨之變化[7],呼氣時的附加壓強比吸氣時大，這也是導致呼氣時肺彈性恢復滯后的原因之一。呼吸時肺的V-p曲線的斜率稱為肺順應性[6],用C表示。
C=ΔV/Δp.
肺順應性表達了肺的彈性特征。
平穩呼吸時，人肺的 順 應 性 在200 mL/cmH2O（1cm H2O=98Pa）[8]左右。當肺組織彈性或力學環境改變時，肺順應性也會相應改變。肺氣腫、哮喘及肺纖維化病人的肺順應性可能減小。
3、實驗儀器
FDJSL-A型肺呼吸物理實驗儀（復旦大學物理教學實驗中心研制）由胸腔模擬系統、腹腔動力系統和體積壓強測量系統組成，結構方框圖見圖2,實驗儀器圖片見圖3.
胸腔模擬系統由胸腔體、等效肺泡、等效氣管、橫膈膜組成。腹腔模擬系統由腹腔體和控制腹壓的活塞組成。
根據幾何相似的原則，模型各部分的幾何形狀和尺寸應與實體相似且有一定比例關系。因而，胸、腹腔體設計為圓筒狀（實體截面為兩軸相近的橢圓），胸、腹腔兩長度比值（1∶1）及截面積比值（1∶1）與實體相近。氣管設計分3級，即氣管、支氣管和小支氣管，為便于制作，把許多平行的小支氣管等效為1個管道[9],等效小支氣管與等效肺泡相聯，為便于觀察肺泡變化，這里以5個等效肺泡模擬肺組織和肺泡，分別代表人肺中的5個肺葉（即左肺2葉，右肺3葉）。
根據力學相似的原則，實驗模型的流體流動環境的受力分布應與實體中的分布有合理的比例關系。本實驗中，吸氣和呼氣都伴隨有氣體流動，氣管一側與氣管內的受力與實體相當，都是大氣壓；等效肺泡外即胸腔內的壓強變化為-35cmH2O~0,大于實體壓強變化；橫膈膜裝在胸、腹腔中間，腹腔壓強的變化引起橫膈膜升高或降低15mm左右（這里的設計與平穩呼吸的實體相近），肺泡內氣體體積的變化為0~150mL（小于實體）。等效肺泡和橫膈膜分別選用具有較好黏彈性的氣球和橡皮膜。需要說明的是，真實肺和肺泡的彈性非常好，3cmH2O的壓強差就可以吸進500mL的空氣，目前還沒有與此相當的生物材料，因此本實驗中肺及肺泡黏彈性的模擬是由黏彈性氣球以及胸腔內壓強的主動調節來共同完成。
動力系統由活塞、曲軸、轉輪和手柄組成。轉輪旋轉時，曲軸帶動活塞上下運動，從而調節腹腔中的壓強。
體積測量裝置由內筒、外筒、通氣管組成。通氣管沿外筒的軸向且穿過底部，內筒上端封閉并倒扣于外筒中。實驗時，將水注入筒內，液面約為2/3筒高，然后將通氣管下端接硅膠管，硅膠管另一端接氣管。當胸腔壓強變化時，內筒將升高或降低，根據內筒的高度可算出呼吸過程中肺泡內的氣體體積。
壓強測量裝置是1只U型玻璃管壓強計，其內裝入適量的水，玻璃管一端通大氣，另一端經硅膠管接胸腔。當胸腔壓強變化時，根據液面上升高度可測出壓強。
4、實驗方法
實驗前，在體積測量裝置的筒內注入水，液面高度約為筒高2/3,并使內、外筒液面高度相等。在U型玻璃管壓強計中裝入適量的水，并清除水柱中氣泡。
把體積測量裝置中的通氣管下端通過硅膠管與氣管連接，U型玻璃管壓強計的一端經硅膠管接胸腔，需避免漏氣。
用手柄轉動轉輪，活塞可上下運動，當觀察到等效肺泡張大和縮小、U型玻璃管中液面降低或升高以及體積測量裝置的內筒升高或降低的現象時，即可開始實驗測量。
為模擬平穩呼吸，保證吸氣的起點和終點所測p/V值有較好的重復性，在腹腔外壁刻出與活塞移動范圍相應的2條醒目界線，以及在最高和最低界線之間刻出數條等間隔標志線。實驗時，活塞在刻線位置短暫停留，以讀取胸腔內壓強和等效肺泡內的氣體體積。
首先測量正常呼吸情況下的p值和V值，再測量模擬胸腔內高壓（肺氣腫）時的p值和V值。
5、實驗數據及結果
正常呼吸情況下測量的實驗數據如表1~2所示。胸腔內高壓（肺氣腫）時測量的實驗數據如表3~4所示。胸腔內壓強用p表示，肺泡內氣體體積用V表示。
從圖4~5中的V-p曲線可以看出，吸氣時的V-p曲線與呼氣時的V-p曲線不重合，曲線形狀與實際肺V-p曲線相似，這說明采用較好黏彈性的氣球可以模擬肺的彈性滯后特征。
由圖4和圖5曲線中的吸氣起點和終點的坐標，并根據C=ΔV/Δp求出模型實驗條件下正常呼吸情況時的肺順應性為2.03mL/cmH2O,胸腔內高壓情況 下的肺順應性為1.25 mL/cmH2O,可見胸腔內高壓時的肺順應性低于正常呼吸情況下的肺順應性，這與實際人肺的推理結果一致。
6、討論
FDJSL-A型肺呼吸物理實驗儀屬模型實驗裝置，利用該儀器測得的肺呼吸V-p曲線與實際肺曲線形狀相似，從曲線上可以看出模型肺有彈性滯后現象，測出的肺順應性大小 （2.03 mL/cmH2O）在儀器技術指標范圍之內；模擬胸腔內高壓情況下所測V-p曲線也有彈性滯后效果，肺順應性為1.25mL/cmH2O,小于正常情況下的模擬值。
可以看出，以上2種不同條件下測得的V-p曲線都反映出模型肺的黏彈性特征存在；另外，模擬胸腔內高壓時的肺順應性小于模擬正常情況的肺順應性，這與實際規律相符合。以上分析說明，基于流動相似性原則的該教學實驗的設計與真實肺呼吸的物理過程有較好的等效性，可以用于教學實驗。
本實驗的誤差來源有以下3個方面：首先是各個連接處可能有少許漏氣，引起等效肺泡內的體積測量數據偏小，從而導致測出的肺順應性減??；其次是U型管液面的不穩定導致壓強讀數的誤差，但通過多次測量可減小誤差；另外導管中的空氣以及U型管中水的內摩擦力引起的能量損失導致的體積和壓強測量的系統誤差。
漏氣問題可以通過改進工藝來避免，U型管中水的內摩擦力問題可采用更換其他類型的壓力計來解決。用黏彈性特征明顯的材料模擬肺組織和肺泡，可使模型肺的彈性滯后效果更明顯。
7、結束語
人體是復雜的生命系統，生物軟組織模擬存在一定困難。作為模擬生命體物理過程的教學實驗，在應用相似性原理的基礎上，以突出某個物理過程和物理規律為主來進行相似性設計，應使得實驗數據與生物體實際滿足一定的相似比例，保證模型實驗與生物體實際的等效性。以教學為目的的、反映肺呼吸物理規律的模型實驗我們是初步嘗試，有一些問題還需要進一步探索。
【參考文獻】
[1] 陸申龍，馬世紅，冀敏。醫學類物理實驗課教學改革的探索與實踐[J].物理實驗，2005,25（12）：20-22.
[2] 俞熹，樂永康，冀敏，等。美國大學物理教學和管理考察報告[J].物理實驗，2013,33（4）：15-20.
[3] 艾洪濱。人體解剖生理學[M].北京：科學出版社，2009:344-347.
[4] 普朗特L.流體力學概論[M].郭永懷，陸士嘉譯。北京：科學出版社，1981:179-185,614-618.
[5] 鄭筱詳。生理系統仿真建模[M].北京：北京理工大學出版社，2003:2-9.
[6] 約翰·威斯特。呼吸生理學精要[M].張冰，等譯。北京：北京體育大學出版社，2009:96-106.
[7] 王磊，冀敏。醫學物理學[M].北京：人民衛生出版社，2013:87-90.
[8] 陳亞珠，黃耀熊。醫學物理學[M].北京：高等教育出版社，2005:71.
[9] 高文。呼吸系統的物理模型[J].天津成人高等學校聯合學報，2001,3（4）：90-94.25第1期冀敏，等：肺呼吸物理模型測量肺順應性的教學實驗
